Artikkelikuvassa kirjoittajan taustalla näkyy Kanadan Sudburyssa sijaitseva SuperCDMS-koe. Mikäli LZ-kokeen havainto osoittautuu pimeän aineen signaaliksi, sen odotetaan saavan vahvistusta myös SuperCDMS:n tulevista mittauksista.

Lux-Zeplin (LZ) on pimeän aineen etsintää varten rakennettu ilmaisinlaitteisto, joka sijaitsee Sanfordin maanalaisessa laboratoriossa Etelä-Dakotassa Yhdysvalloissa. Koe pyrkii havaitsemaan pimeän aineen hiukkasten sirontaa tuike-ilmaisimena toimivasta seitsemästä tonnista nestemäistä Xenon-kaasua. Kokeen toiminta perustuu valomonistinputkiin (photomultiplier tube), joiden avulla Xenonissa hiukkassironnan seurauksena syntyvä sintillaatiovalo voidaan havaita.

Havaintojen tulkinta perustuu kahden erillisen valosignaalin mittaamiseen: Kun ulkopuolinen hiukkanen siroaa Xenon-atomista riittävän suurella energialla, sironnut atomi törmää ympäröviin atomeihin ja muodostaa epästabiilin molekyylin, jonka hajotessa syntyy valoa. Tämä nopeasti syntyvä valonvälähdys on ensimmäinen LZ-laitteessa mitattavista signaaleista, nimeltään S1. Toinen signaali, S2, syntyy ionisaation seurauksena. Sironneen Xenon-atomin törmätessä ympäröiviin atomeihin näistä irtoaa elektroneja. Xenon-tankin kannen ja pohjan välillä on sähkökenttä, joka kiihdyttää elektronit kohti tankin kantta. Nestemäisen Xenonin yläpuolella tankissa on kaasumaista Xenonia, jossa liikkuessaan irronneet elektronit aiheuttavat uuden sintillaatiosignaalin.

Kun ilmaisimessa havaitaan sirontatapahtuma, sironnassa siirtyneen energian määrä voidaan päätellä S1-signaalin voimakkuudesta, eli välittömän sintillaatiovalon määrästä. S2:n eli ionisaatio-signaalin voimakkuus suhteessa S1:een puolestaan kertoo sirontatapahtuman tyypistä. Jos ulkopuolinen hiukkanen siroaa Xenon-atomin elektroneista, niitä irtoaa prosessissa enemmän, kuin jos sama määrä energiaa siirtyy ydinsironnassa. Siten S2- ja S1-signaalien suhteen avulla voidaan päätellä onko kyseessä ydin- vai elektronisironta. Tämä on tärkeää, sillä suurin osa tunnetuista taustaprosesseista (kuten radioaktiiviset epäpuhtaudet) aiheuttavat elektronisirontaa, ja näinollen ydinsirontaa voidaan etsiä lähes taustattomassa alueessa kun valitaan sopiva S2/S1-suhde.

Pimeän aineen etsintä LZ:ssa ja muissa vastaavissa kokeissa perustuu aurinkokunnan, ja sen mukana maapallon, liikkeeseen galaksiamme ympäröivän pimeän aineen halon läpi. Tämän liikkeen seurauksena maapallon läpi kulkee “pimeän aineen tuuli”, eli pimeän aineen hiukkasista koostuva vuo. Jos pimeän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat tavallisen aineen kanssa, pieni osa tämän vuon hiukkasista voisi silloin tällöin sirota tarkasteltavassa kohtiossa. Maapallon nopeus suhteessa galaksiin tunnetaan, ja pimeän aineen hiukkasten nopeusjakauma puolestaan voidaan päätellä viriaaliteoreeman avulla: pimeän aineen hiukkasten kineettisen energian tulisi vastata niiden potentiaalienergiaa galaksin painovoimakentässä. Näistä lähtökohdista voidaan päätellä pimeän aineen hiukkasten oletettu nopeusjakauma maapallon koordinaateissa. Mahdollisissa pimeän aineen sirontatapahtumissa esim Xenon-atomeille siirtyvän energian jakauma voidaan puolestaan ennustaa tämän nopeusjakauman avulla. Tämä viimeinen askel vaatii oletuksen pimeän aineen ja atomiytimen vuorovaikutusta kuvaavasta vaikutusalasta ja sen energiariippuvuudesta. Matalan energian rajalla mahdollisia vuorovaikutuksia on vain muutama, joten kaikki mahdolliset pimeän aineen mallit voidaan kattaa tarkastelemalla tätä muutamasta termistä koostuvaa efektiivistä teoriaa. Efektiivisen teorian vuorovaikutustermeistä käytetään numeroitua luokittelua, joka koostuu operaattoreista O­₁ – O₁₅.

Yksinkertaisin vuorovaikutuksista on niinkutsuttu spin-riippumaton operaattori O­₁. Tätä mallia käytetään yleisesti standardina, jonka avulla pimeää ainetta etsivät kokeet ilmaisevat tuloksensa. Yksinkertaisimmillaan malli sisältää tällöin vain kaksi parametria; vuorovaikutuksen voimakkuutta kuvaava vakio c₁, joka on vuorovaikutusoperaattorin O­₁ numeerinen kerroin, sekä pimeän aineen hiukkasen massa. Tässä mallissa pimeän aineen sironnassa kohdeatomeille siirtyvän energian jakauma on keskittynyt matalalle energialle. Tämän vuoksi LZ:n ja muiden pimeän aineen kokeiden etsintästrategia on yleensä keskittynyt matalan sirontaenergian alueelle, eli kuvassa 2 vasemmanpuoleiseen alueeseen. LZ:n standardistrategia rajaa etsinnän S1-asteikolla alueeseen alle 80, joka tarkoittaa että yli 70 keV:n ydinrekyylit eivät käytännössä näy tässä etsinnässä. Matalan energian alueella LZ ei ole havainnut sirontatapahtumia enempää kuin mitä on odotettavissa tunnetuista taustaprosesseista.

Osa vuorovaikutusoperaattoreista tuottaa sirontavaikutusalan, joka kasvaa verrannollisena sirontaenergiaan (esim O­₁₀) tai sen neliöön (esim O­₆). Tällaisen vuorovaikutuksen etsintään matalan energian alueeseen keskittyvä standardistrategia ei ole optimaalinen, ja siksi LZ on äskettäin julkaissut analyysin, joka ulottuu korkeamman energian alueeseen, rajoittuen S1-asteikolla ylärajaan 600, mikä tarkoittaa että ydinrekyylit noin 300 keV:n energiaan asti näkyvät tässä analyysissa. Syyskuun alussa julkaistussa analyysissa huomiota on herättänyt yksi sirontatapahtuma joka vaikuttaa ydinrekyyliltä, jonka energia on noin 248 keV. Tämä tapahtuma erottuu kuvassa 3 yksittäisenä pisteenä punaisella merkityn ydinrekyylivyöhykkeen alalaidassa.

Yksittäisestä tapahtumasta on liian aikaista tehdä pitkälle meneviä johtopäätöksiä. Selvää on, että ennen kuin voidaan vakavissaan puhua pimeän aineen havaitsemisesta, olisi nähtävä enemmän tapahtumia, ja parhaassa tapauksessa niitä näkyisi myös muissa pimeän aineen kokeissa. Jos signaali todella olisi syntynyt pimeän aineen sironnasta, vastaavia signaaleja pitäisi ennen pitkää näkyä myös Italiassa sijaitsevassa XenonNT-kokeessa ja Kiinassa toimivassa PandaX-kokeessa, jotka perustuvat samanlaiseen teknologiaan kuin LZ. Riippuen mahdollisen pimeän aineen vuorovaikutuksista, myös muihin kohdeaineisiin kuin Xenoniin perustuvissa pimeän aineen kokeissa voitaisi odottaa havaintoja. Tiedeyhteisössä pienikin toivo mullistavasta havainnosta  aiheuttaa nopeasti voimakkaan reaktion. Kirjoitushetkellä, noin kuukausi LZ-analyysin julkaisusta, artikkeliin on viitattu jo 125:ssä preprint-artikkelissa. Näistä suurin osa käsittelee erilaisia teoreettisia malleja pimeälle aineelle, jotka voisivat selittää yksittäisen sironnan korkealla energialla ja samalla olla yhteensopivia sen kanssa, että matalammalla energialla ei ole havaittu sirontoja. On kuitenkin syytä pitää mielessä, että vastaavaa innostusta on nähty ennenkin, toisinaan myös tapauksissa joissa signaali sittemmin osoittautui vain satunnaiskohinaksi, kuten esim LHC:n ATLAS- ja CMS-kokeissa vuonna 2015 havaittu 750 GeV:n signaali.

Suosituimmat teoreettiset kehitelmät joita mahdollisen ydinrekyylin syyksi on esitetty, perustuvat joko epäelastiseen sirontaan, tai energiariippuviin vuorovaikutuksiin, kuten yllä mainitut operaattorit O­₆ ja O­₁₀. Epäelastisessa sironnassa pimeän aineen hiukkasella χ₁ on kumppani χ₂, jonka massa on hieman suurempi (tai jossain tapauksissa hieman pienempi) kuin  χ₁:n, m₂ – m₁ = Δ. Lisäksi malli on rakennettu siten, että elastinen sironta  χ₁ + N → χ₁ + N, missä N on atomiydin,ei ole mahdollinen, mutta epäelastinen prosessi  χ₁ + N → χ₂ + N on sallittu. Tällöin sironnan kinematiikka muuttuu, koska energian säilyminen vaatii että osa sirontaenergiasta kuluu hiukkasten massaeron kattamiseen. Näissä malleissa on mahdollista, että matalan energian ydinrekyyleitä ei voi syntyä lainkaan, joka selittäisi miksi havaittu sironta on korkean energian alueella. Kiinnostavasti supersymmetrian ennustama Higgsino, jota on jo ennestään pidetty mahdollisena pimeän aineen kandidaattina, luonnollisesti täyttää nämä vaatimukset.

Energiariippuva vuorovaikutus voi tuottaa elastisessakin sironnassa rekyylispektrin joka on painottunut enemmän korkean energian alueelle verrattuna energiariippumattomaan vuorovaikutukseen. Silti näissäkin malleissa tyypillisesti odotettaisiin enemmän sirontoja matalan energian alueella kuin 250 keV:n ympäristössä, ja siten LZ:n yksittäisen sironnan tulkinta tällaisessa mallissa on haasteellista. Yhdessä tohtoriopiskelija Niklas Zimmermannin kanssa olemme esittäneet, että energiariippuvan vuorovaikutuksen yhdistäminen toiseen tunnettuun mekanismiin, pimeän aineen sirontaan kosmisista säteistä, voi tuottaa spektrin joka sopisi hyvin LZ:n havaintoihin. Kuvassa 4 on esitetty odotettu sirontaspektri malleissa, joissa vuorovaikutus on joko  O­₆ tai O­₁₀. Vihreä viiva kuvaa tapausta, jossa vuorovaikutus on pääasiassa protonin kanssa, kun taas sininen ja punainen viiva vastaavat tilannetta jossa protoni- ja neutronivuorovaikutukset ovat yhtä voimakkaita, ja saman- tai erimerkkisiä keskenään. Esittämämme malli on siinä mielessä minimaalinen, että kosmisten säteiden sironnan aiheuttama efekti syntyy automaattisesti mikäli vuorovaikutus pimeän aineen ja atomiydinten välillä on olemassa. Tämän efektin luomiseksi ei siis tarvita mitään uusia oletuksia.

LZ:n havaitsema sirontatapahtuma on kiinnostava, ja teoreetikot ovat löytäneet useita mahdollisia mekanismeja, joiden avulla pimeä aine voisi synnyttää tällaisen signaalin. Mikäli tulevissa analyyseissa ja myöhemmin kerättävässä datassa löydetään lisää vastaavia sirontoja, näiden muodostaman spektrin ominaisuuksia tutkimalla voidaan tehdä eroja teoreettisten mallien välille ja selvittää, mikä esitetyistä malleista toimii parhaiten. Mutta toistaiseksi kyse on vielä yksittäisestä havainnosta, jonka alkuperä voi olla mitä tahansa.

Matti Heikinheimo
Yliopistotutkija, HIP-projekti (Theoretical Cosmology and Astroparticle Physics)
Helsingin yliopisto ja Fysiikan tutkimuslaitos