Did LZ see modified gravity?

Tief unter der Erde, abgeschirmt vom kosmischen Rauschen der Oberfläche, befindet sich ein riesiger Tank mit flüssigem Xenon. Dies ist das LUX-ZEPLIN-Experiment, eine Vorrichtung, die darauf ausgelegt ist, das leiseste Flüstern der Dunklen Materie einzufangen – jener unsichtbaren Substanz, die den Großteil der Masse des Universums ausmacht. Jahrelang haben Wissenschaftler darauf gewartet, dass ein Teilchen der Dunklen Materie mit einem Xenonatom zusammenstößt und dabei einen winzigen Lichtblitz sowie eine Energiewelle erzeugt. Kürzlich berichtete das Experiment von einem einzelnen, ungewöhnlichen Ereignis: Ein schwerer Kern im Tank prallte mit einer Energie von 248 keV ab. Diese Energie ist weita viel höher, als es die meisten Standardtheorien der Dunklen Materie für eine einzelne Kollision vorhersagen, was ein Rätsel aufwirft. Wenn dieses Ereignis real ist und kein Fehler oder ein Hintergrundrauschen darstellt, deutet es darauf hin, dass die uns umgebende unsichtbare Materie sich auf eine Weise verhält, die wir uns noch nicht vorgestellt haben – vielleicht interagiert sie stärker oder anders mit der gewöhnlichen Materie als erwartet.

Ein Forscher namens Basabendu Barman hat einen neuen Weg vorgeschlagen, um dieses Rätsel zu lösen, der das Verhalten dieser unsichtbaren Teilchen mit der Geschichte der Expansion des Universums verbindet. Die Standardgeschichte des Universums besagt, dass es sich nach dem Urknall in einem vorhersehbaren Rhythmus abgekühlt hat, was es der Dunklen Materie ermöglichte, sich zu bilden und in den Mengen anzusiedeln, die wir heute beobachten. Barman schlägt jedoch vor, dass in den sehr frühen Momenten des Universums, noch vor der Entstehung der ersten Atomkerne, die Expansion des Raumes viel schneller erfolgt sein könnte, als dies die Standardgeschichte erlaubt. Diese Idee, die in modifizierten Gravitationstheorien verwurzelt ist, ändert die Spielregeln. Wenn das Universum schneller expandierte, wäre es für die Teilchen der Dunklen Materie schwieriger gewesen, mit der heißen Suppe aus anderen Teilchen zu interagieren, was bedeutete, dass sie eine stärkere Verbindung hätten benötigt, um überhaupt entstehen zu können.

Die Arbeit untersucht eine spezifische Art der Dunklen Materie, ein sogenanntes „feeble interacting massive particle“ (ein schwach wechselwirkendes massives Teilchen), oder kurz FIMP. In der üblichen Betrachtung sind diese Teilchen so schüchtern, dass sie kaum etwas berühren, was sie nahezu unmöglich detektierbar macht. Diese Schüchternheit ist ein Problem bei der Erklärung des jüngsten Ereignisses im Xenon-Tank, denn wenn die Teilchen zu schüchtern sind, sollten sie nicht in der Lage sein, das Xenon so hart zu treffen, dass sie das 248-keV-Signal erzeugen. Barmans Arbeit zeigt, dass eine schnellere Expansion des frühen Universums als bisher angenommen es diesen Teilchen ermöglichen würde, eine stärkere Verbindung zur gewöhnlichen Materie einzugehen und dennoch selten genug zu bleiben, um die gesamte Menge der beobachteten Dunklen Materie zu erklären. Diese stärkere Verbindung ist genau das, was nötig ist, um die Kollision im Xenon-Tank möglich zu machen.

Um diese Idee zu testen, baut die Studie ein Modell auf, in dem die Dunkle Materie aus zwei Arten von Teilchen besteht, die fast identisch schwer sind, sich aber geringfügig unterscheiden, getrennt durch eine winzige Lücke von etwa 280 keV. Diese Teilchen interagieren über einen neuen, unsichtbaren Kraftträger, ein dunkles Photon. Der Forscher berechnete, wie oft diese Teilchen unter verschiedenen Bedingungen mit den Xenon-Kernen kollidieren würden. Die Ergebnisse zeigen, dass, wenn die Expansionsrate des Universums durch einen Faktor im Zusammenhang mit modifizierter Gravitation verstärkt wurde, die Parameter, die erforderlich sind, um das einzelne Ereignis in den LUX-ZEPLIN-Daten zu erklären, perfekt mit der Menge der Dunklen Materie übereinstimmen, die wir am Himmel sehen. Die Studie identifiziert spezifische Bereiche für die Masse der Dunklen Materie und die Stärke ihrer Wechselwirkung, die sowohl das einzelne Kollisionsereignis als auch die kosmische Häufigkeit der Dunklen Materie erfüllen.

Die Analyse überprüft diese Ideen auch im Hinblick auf andere bekannte Fakten. Die vorgeschlagenen Teilchen dürfen in anderen Experimenten, wie etwa bei der Suche nach neuen Teilchen am Large Hadron Collider oder in Beam-Dump-Experimenten, nicht entdeckt worden sein. Die Studie stellt fest, dass, während einige Teile der vorgeschlagenen Erklärung bereits durch bestehende Daten ausgeschlossen sind, ein signifikanter Teil der möglichen Einstellungen offen und ungetestet bleibt. Dies bedeutet, dass die Theorie weiterhin existiert und auf weitere Daten wartet. Der Forscher merkt an, dass zukünftige Experimente das dunkle Photon detektieren könnten oder falls das LUX-ZEPLIN-Experiment mehr Daten sammelt, diese spezifische Erklärung bestätigen oder widerlegen könnten. Darüber hinaus, falls das frühe Universums tatsächlich so schnell expandierte, könnte es einen schwachen Hintergrund von Gravitationswellen hinterlassen haben, den zukünftige Detektoren finden könnten, was einen zweiten Weg zur Überprüfung dieser Geschichte böte.

Letztendlich legt diese Arbeit nahe, dass ein einzelnes seltsames Ereignis in einem tief unter der Erde gelegenen Tank ein Hinweis auf eine fundamentale Änderung unseres Verständnisses der Gravitation und des frühen Universums sein könnte. Sie beweist nicht, dass die modifizierte Gravitation real ist, noch bestätigt sie, dass das LUX-ZEPLIN-Ereignis definitiv Dunkle Materie ist. Stattdessen demonstriert sie, dass, wenn wir davon ausgehen, dass sich das Universum in seiner Kindheit anders expandierte, das seltsame Ereignis zu einem plausiblen Signal einer spezifischen Art von Dunkler Materie wird, die ansonsten zu schwach wäre, um detektiert zu werden. Die Arbeit bietet einen kohärenten Pfad nach vorn und zeigt, wie ein einzelnes Anomalie uns dazu bringen kann, die Geschichte des Kosmos und die Natur der unsichtbaren Materie, die ihn zusammenhält, neu zu überdenken.