Tumeaine otsinguil tehti ootamatu leid

Itaalias maa-aluses Gran Sasso laboris asuv XENON1T eksperiment väljast vaadates. Vasakul on näha detektormahuti, mille küljel oleval plakatil seisab: «XENON1T: tumedust valgustades». Paremal on detektori teenindusmoodul. Foto: KOOSTÖÖPROJEKT XENON

Juuni keskel teatasid Itaalia mägedes maa all asuvas rahvusvahelises tumeaine otsimiseks mõeldud füüsikaeksperimendis XENON1T osalevad teadlased, et on avastanud oma ülitundlikus detektoris nõrga signaali, mis võib viidata senitundmatule füüsikanähtusele.

Seda võib seletada näiteks hüpoteetiliste osakeste aksionitega või juba tuntud neutriinode veidra käitumisega. Proosalisemal juhul võib olla tegu vesiniku radioaktiivse isotoobi triitiumi lagunemisega, mida detektoris on mingil põhjusel oodatust rohkem.

Alatest 1980. aastate lõpust on tumeaine otseseks vaatluseks üle maailma maa alla ehitatud füüsikaeksperimente. Vähemalt kilomeetri sügavusele maapõue peidetakse need seetõttu, et tegu on ülitundlike detektoritega, mida segab maapinda pidevalt pommitav kosmiliste kiirte tekitatud müüonite voog. See osake on elektroni tüsedam sugulane, mis on temast üle saja korra massiivsem ja suudab seetõttu läbida sadu meetreid pinnast. Tundlike seadmete jaoks on need müüonid tõeline nuhtlus, mille eest tuleb varjuda kilomeetrite sügavusele.

Need detektorid otsivad tõeliselt haruldast sündmust – et vahel üliharva põrkaks mõni tumeaine osake kokku ülitundlikku detektorit täitva aine aatomituuma või elektroniga. (Seepärast polegi ime, et müüonite põrked tuumadega neid otsinguid segavad.) Kosmoloogid ja astrofüüsikud on nimelt aastakümneid ennustanud, et ujume oma Päikesesüsteemiga kogu meie Linnutee galaktikat ümbritsevas tumeaine pilves. (Suur roll selle tumeaine pilve avastamisel on ka Eesti kosmoloogidel Jaan Einastol ja Enn Saarel.)

Populaarsemad füüsikamudelid ütlevad, et need osakesed võiks olla üsna rasked, kümme kuni tuhat korda raskemad vesiniku aatomist, ja liikuda ringi keskmiselt umbes kolm-nelisada kilomeetrit tunnis (umbes tuhandik valguse kiirusest). Need osakesed mõjustuvad meiega väga nõrgalt, lennates meist välja tegemata läbi. Siiski, vahel üliharva võib mõni neist osakestest põrgata mõne aatomituuma või aatomites ringivõnkuvate elektronidega. Just sellise harulduse jahil füüsikud sügaval maa all ongi.

Loomulikult ei pääse ka sügavale maa alla peitudes täielikult ei müüonitest ega looduslikust radioaktiivsest kiirgusest, mis pärineb radioaktiivsetest keemilistest elementidest nii detektori sees kui ümber. Seega, isegi kui füüsikud mõõdavad oma maa-aluste seadmetega mingi ootamatu signaali, tuleb seda hoolikalt analüüsida, et välistada selle pärinemine mõnest tuntud looduslikust nähtusest. Mõnikord võib see olla ootamatult keeruline. Näiteks on Itaalias Gran Sasso laboratooriumis asuv maa-alune otsevaatluse eksperiment DAMA/LIBRA juba üle kümnendi mõõtnud teatud anomaalset signaali, mille puhul pole veenvalt tõestatud, et tegu on tingimata just tumeaine põhjustatud nähtusega. Samuti on mõned varasemad maaalused tumeaine otsimise eksperimendid leidnud anomaaliaid, mis on nüüdseks tundlikumate seadmetega veenvalt ümber lükatud.

Itaalias Apenniinide mäepõues asuv Gran Sasso laboratoorium väärib eraldi äramärkimist. Seal asub ka meie loo peakangelane, aga lisaks temale veel trobikond tumeaine otsimise ning neutriinode vaatluse katseid ja muid väga isoleeritud keskkonda vajavaid teaduseksperimente.

Labor asub ligi 1,4 km sügavusel suure mäe südames, rajatud pika maa-aluse autotunneli kõrvalharusse. Alates aastast 2006 on seal asupaiga leidnud XENON-i koostööprojekti tumeaine-detektorite mitu põlvkonda. Detektoris ootab suur hulk veeldatud väärisgaasi ksenooni, et mõnigi paljudest tumeaine osakestest, mis maakerast ja detektorist läbi lähevad, annaks ksenooni aatomiga põrgates signaali. Paraku võib samasuguse tulemuse anda ka mõni radioaktiivsel lagunemisel tekkinud osake.

Signaali leidmisest raskem on viia detektoris miinimumini taustamüra, millest ei ole võimalik täielikult vabaneda. Tuleb mõista, kui palju müra alles jääb ja millest see tekib. Kõik, mis mürast üle jääb, on – loodetavasti – signaal.

Praegu töötab Gran Sasso laboris juba XENON-i detektorite kolmas põlvkond. XENON10 detektoris oli 15 kg vedelat ksenooni, XENON100 detektoris oli seda 165 kg ja XENON1T detektoris on juba 3,2 tonni. Mida rohkem on detektoris tööainet, seda suurem on tõenäosus, et tumeaine osakesed seal aatomitega kokku põrkavad. Kuid senini ei ole tumeainet leitud.

Nii XENON-is kui teistes detektorites on otsitud peamiselt suhteliselt raskeid osakesi (nn WIMP-osakesed), mis pole palju kergemad või raskemad kui Higgsi boson. Kuna raskemaid osakesi ei ole leitud, on viimasel ajal hakatud otsima kergemat tumeainet.

Tegelikult ei tea ju keegi, kui raske on tumeaine osake. Kuid kerget tumeainet otsida ei olegi nii kerge. Raske tumeaine osakese põrge ksenooni aatomi tuumaga on kui liikuva piljardikuuli põrge seisvaga. Liikuv kuul jääb seisma, seisev kuul hakkab liikuma. Nii tekib detektoris signaal. Kui tumeaine on liiga kerge, meenutab see pigem hernest, mis piljardikuulilt seda liigutamata tagasi põrkab.

Tumeaine võib õnneks põrgata mitte ainult aatomi tuumaga, vaid ka ümber tuuma tiirlevate elektronidega, mis on võimaliku kerge tumeainega samas kaalukategoorias. 17. juunil avaldatud tulemus ongi XENON1T mõõtmistulemus põrgetest elektronidega. On see müra või signaal?

Oletame, et mõõdeti tumeainet. Selgub, et selline tumeaine peab olema üsna ootamatute omadustega. XENON-i signaali seletab ainult kuum tumeaine, mille osakeste kiirus on vähemalt 10% valguse kiirusest. Nagu teame, peab tumeaine üldiselt olema külm, selle osakeste kiirus meie Linnutee halos ei tohi olla üle tuhandiku valguse kiirusest, sest muidu lendaksid nad galaktikast lihtsalt minema.

Võib-olla miski kuumutab tumeainet? See miski võiks olla näiteks Päikese sisemus, kus temperatuur on üle 15 miljoni kraadi. Paraku on nii, et kui Päike ja teised tähed kuumutaksid tumeainet, jahtuksid nad ise maha kiiremini, kui vaatlused näitavad. Kiirete tumeaine osakeste voog peab tulema kusagilt mujalt, näiteks tumeaine põrgetest, kus osa selle massist muutub liikumisenergiaks. Samuti on võimalik, et tumeaine osakestele annavad energiat põrked kosmiliste kiirtega.

Teoreetikutel ideedest puudust ei tule: paari nädala jooksul pärast mõõtmistulemuste avalikustamist kirjutati juba pea nelikümmend teadusartiklit. Näiteks on välja pakutud, et tegu oli ülikergete osakeste aksionitega, et neutriinod põrkavad elektronidega ootamatult tugevalt, või tekivad Päikesel ka nn tumedad footonid.

XENON-i koostööprojekti teadlased ise osutasid veel ühele allikale, mis kirjeldab tulemust sama hästi kui aksionid või neutriinod. Tulemust võib selgitada vesiniku radioaktiivse isotoobi triitiumi lagunemine detektoris. Aitab, kui seal oleks kilogrammi ksenooni kohta kõigest kolm triitiumi aatomit! Kui palju neid seal tegelikult on, on väga raske kindlaks määrata. Kui tegu on väga peene, piiripealse mõõtmisega, on ka müra mahalahutamine omaette kunst.

Õnneks ei tule kaua oodata, et saada selgust: kas müra või signaal? Sel aastal läheb käiku juba järgmine tumeaine detektor XENONnT, milles on üle 8 tonni vedelat ksenooni. XENONnT detektoris peaks olema selgelt näha, kas põneva tulemuse annab kerge tumeaine või peavad füüsikud seekord veel pettuma.

Andi Hektor (1975) on keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi vanemteadur. Tema teadustöö põhisuunad on osakestefüüsika, astroosakestefüüsika, kosmoloogia, kosmilised kiired ja andmeteadus.

Kristjan Kannike (1978) on keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi vanemteadur. Tema teadustöö põhisuunad on osakestefüüsika, kosmoloogia ja varajase universumi füüsika.

Artikkel ilmus algselt ajakirjas Horisont.

Foto: Horisont