Higgsino Dark Matter Interpretation of the LUX-ZEPLIN 248 keV Nuclear-Recoil Event

Decennialang is het meest diepgaande mysterie in de natuurkunde de aard van de onzichtbare substantie die sterrenstelsels bij elkaar houdt. Wetenschappers weten dat deze "donkere materie" bestaat omdat de zwaartekracht ervan invloed uitoefent op zichtbare sterren en gas, maar het weigert op elke manier die we gemakkelijk kunnen detecteren te interageren met licht of gewone materie. Het vormt ongeveer 85 procent van alle massa in het universum, maar de identiteit ervan blijft een geest in de machine. Eén leidende theorie suggereert dat deze substantie bestaat uit zwak interagerende massieve deeltjes, of WIMP's. Dit zijn zware, ongrijpbare deeltjes die af en toe tegen de kernen van atomen in detectoren diep onder de grond zouden moeten botsen, waarbij ze een klein, meetbaar flitsje energie achterlaten. Jarenlang hebben experimenten naar deze zeldzame botsingen gezocht, maar de signalen zijn frustrerend afwezig gebleven, waardoor het ware gezicht van donkere materie verborgen bleef.

Onlangs rapporteerde het LUX-ZEPLIN-experiment, een enorme detector gevuld met vloeibaar xenon diep onder de aarde, een enkel, raadselachtig evenement. Terwijl het een breed scala aan energieën scande, registreerde het instrument een nucleaire terugslag — een kleine stoot tegen een atoom — met een energie van 248 kiloelektronvolt. Dit is een aanzienlijke hoeveelheid energie voor een dergelijke kleine interactie. De onderzoekers besteedden veel tijd aan het onderzoeken of dit een foutje, achtergrondruis of een bekend zeldzaam proces was, maar zij konden geen conventionele verklaring vinden. Het evenement bevindt zich in een gebied waar weinig andere dingen worden verwacht, wat het een kandidaat maakt voor iets nieuws. Hoewel de statistische significantie nog niet hoog genoeg is om een ontdekking te claimen, heeft de afwezigheid van een alledaagse verklaring ervoor gezorgd dat natuurkundigen op zoek gaan naar een theoretisch deeltje dat aan dit specifieke kenmerk zou kunnen voldoen.

In een nieuwe analyse stellen Katherine Freese en Dionysios P. Theodosopoulos voor dat dit evenement de eerste blik zou kunnen zijn op een specif type donkere materie genaamd een Higgsino. In het kader van supersymmetrie, een theorie die suggereert dat elk bekend deeltje een zwaardere partner heeft, is de Higgsino de partner van het Higgs-boson. De onderzoekers suggereren dat als donkere materie uit deze deeltjes bestaat, ze een massa zouden hebben van ongeveer 1,1 biljoen elektronvolt, of ongeveer 1 TeV. Wat dit idee aantrekkelijk maakt, is dat de eigenschappen van de Higgsino niet slechts gegokt zijn om bij de data te passen; ze worden vastgelegd door de natuurwetten. Als Higgsinos in het vroege universum werden gecreëerd en tot vandaag de dag hebben overleefd, zou hun massa zich natuurlijk op deze specifieke waarde hebben gevestigd om de hoeveelheid donkere materie te verklaren die we zien. Bovendien wordt de manier waarop deze deeltjes interageren met gewone materie bepaald door een specifieke krachtdrager, het Z-boson, die een precieze sterkte voor hun botsingen bepaalt.

De sleutel tot deze interpretatie ligt in een fenomeen genaamd inelastische verstrooiing. In tegen tegenstelling tot een standaard biljartbalbotsing waarbij de ballen onveranderd wegstuiteren, houdt een inelastische botsing een verandering in de interne staat van het deeltje in. De Higgsino bestaat uit twee bijna identieke toestanden met een minuscuul verschil in massa tussen hen. Wanneer een Higgsino tegen een xenonatoom in de detector botst, moet hij genoeg energie absorberen om van de lichtere staat naar de zwaardere staat te springen. Dit vereist een specifieke hoeveelheid kinetische energie, die afhangt van hoe snel het deeltje beweegt. De onderzoekers berekenden dat voor een Higgsino met een massaspecting van ongeveer 350 kiloelektronvolt tussen de twee toestanden, de botsing precies de geobserveerde terugslag van 248 kiloelektronvolt zou produceren. Deze massaspecting werkt als een filter; alleen de snelst bewegende Higgsinos in ons sterrenstelsel hebben genoeg snelheid om deze sprong te veroorzaken, wat verklaart waarom het evenement plaatsvond bij een dergelijke hoge energie.

De auteurs vergeleken hun theoretische voorspelling met de data die door de LUX-ZEPLIN-collaboratie is vrijgegeven. Ze vonden dat voor een massaspecting nabij de 350 kiloelektronvolt, de voorspelde botsingssnelheid en energie overeenkomen met het bereik waar het experiment het evenement van belang vond. De theoretische dwarsdoorsnede, die beschrijft hoe waarschijnlijk de botsing is, valt comfortabel binnen het betrouwbaarheidsinterval dat door het experiment is gerapporteerd. Dit is een zeldzame uitlijning waarbij een deeltjestheorie zonder vrije parameters om aan te passen, van nature terechtkomt op dezelfde plek als een experimentele anomalie. De onderzoekers waarschuwen echter dat dit een suggestie is, geen bewijs. Het experiment rapporteerde het evenement met een lokale significantie van 3,4 sigma, wat intrigerend is maar ver verwijderd van de vijf sigma-drempel die vereist is om een ontdekking te claimen. Bovendien is de exacte massa van de Higgsino voorspeld door de thermische geschiedenis iets hoger dan de benchmarkmassa die in de initiële analyse van het experiment werd gebruikt, en de onderzoekers schatten dat deze kleine verschuiving de voorspelling net buiten de huidige betrouwbaarheidsgrenzen zou kunnen duwen, hoewel een kleine aanpassing in de massaspecting dit weer naar binnen zou kunnen brengen.

Uiteindelijk biedt dit artikel een goed gemotiveerde verklaring voor een enkel, onverklaarbaar flitsje energie. Het claimt niet het mysterie van de donkere materie te hebben opgelost, maar het demonstreert dat een specifiek, theoretisch solide deeltje verantwoordelijk zou kunnen zijn voor het signaal. De Higgsino-interpretatie is aantrekkelijk omdat deze steunt op vaste natuurconstanten in plaats van willekeurige aanpassingen. Als toekomstige gegevens dit evenement bevestigen en andere mogelijkheden uitsluiten, zou dit direct wijzen naar een deeltje dat al decennia wordt voorspeld maar nooit is gezien. Tot die tijd blijft het 248 kiloelektronvolt-evenement een verleidelijk spoor, een enkel datapunt dat de zoektocht naar het onzichtbare universum levend houdt en gericht op de mogelijkheid dat het antwoord dichterbij is dan we denken.