Fermionic Dark Matter Absorption and the High-Energy Event in LUX-ZEPLIN

Al decennia lang jagen wetenschappers op donkere materie, de onzichtbare substantie die het grootste deel van de massa van het universum vormt maar weigert te interageren met licht. De meest populaire theorie voor jarenlang was dat deze materie bestaat uit zware, traag bewegende deeltjes die af en toe botsen met normale atomen, waarbij ze een kleine, detecteerbare vonk achterlaten. Experimenten diep onder de grond, afgeschermd van kosmische straling, hebben geluisterd naar deze zwakke fluisteringen. Echter, naarmate deze detectoren ongelooflijk gevoelig werden, vonden ze niets in het lage energiebereik waar de zware deeltjes verwacht werden te botsen. Deze stilte heeft onderzoekers gedwongen om elders te kijken, hun zoektocht uit te breiden naar hogere energieën en vreemdere mogelijkheden te overwegen, zoals donkere materie die niet alleen tegen atomen aanbotst, maar door hen wordt geabsorbeerd, waarbij het volledig verdwijnt terwijl het zijn gehele massa omzet in een uitbarsting van energie.

Een recente analyse van de gegevens van het LUX-ZEPLIN-experiment, een enorme tank met vloeibaar xenon diep in een mijn in South Dakota, heeft een nieuwe en raadselachtige kandidaat aan het licht gebracht. Het experiment registreerde een enkel evenement waarbij een atoom in de tank terugdeinsde met een energie van ongeveer 248 kiloelektronvolt, een waarde die aanzienlijk hoger is dan de achtergrondruis die normaal gesproken wordt waargenomen. Hoewel de experimentatoren dit niet als een ontdekking hebben verklaard, was het evenement een statistische anomalie die om een verklaring vroeg. Twee onderzoekers van de Nanjing Normal University in China hebben een specifiek mechanisme voorgesteld om dit enkele flitsje te verklaren: de absorptie van een type donkere materie-deeltje door een xenonkern. Zij suggereren dat als donkere materie bestaat uit fermionen met een massa van ongeveer 247 miljoen elektronvolt, het door de kern geabsorbeerd kan worden, waarbij de volledige rustmassa wordt omgezet in een precieze, enkelvoudige energie-impuls aan het atoom. Dit proces zou een scherpe, duidelijke piek in de gegevens creëren, die perfect overeenkomt met de energie van het geobserveerde evenement.

De onderzoekers bouwden een gedetailleerd model om dit idee te testen, waarbij zij lieten zien hoe een dergelijk absorptie-evenement er binnen de detector uit zou zien. Ze berekenden dat voor een donkere materie-deeltje met deze specifieke massa, de energie die wordt overgedragen aan het xenonatoom precies in het venster zou landen waar het enkele evenement werd gevonden. Deze coherente absorptie, waarbij de donkere materie in één keer de hele kern raakt, zou een schoon, mono-energetisch signaal produceren. Echter, dezelfde fysica die een dergelijke schone klap mogelijk maakt, voorspelt ook een rommelig bijeffect. Omdat het donkere materie-deeltje zwaar genoeg is om individuele protonen en neutronen binnen de kern te onderscheiden, zou de absorptie ook regelmatig individuele nucleonen uit de kern moeten slaan. Dit incoherente proces zou een breed spectrum van veel hogere energie-evenementen genereren, wat tientallen extra signalen zou moeten creëren die zichtbaar zouden moeten zijn in de detector als het model correct was.

Het team kwam tot de conclusie dat hun voorgestelde model inder in staat is om het enkele geobserveerde evenement te reproduceren, terwijl het tegelijkertijd consistent blijft met het gebrek aan andere signalen in het lage energiebereik. De incoherente, hoogenergetische evenementen die hun theorie voorspelt, worden naar verwachting weggefilterd door de standaard veiligheidsfilters en veto-systemen van het experiment, die ontworpen zijn om hoogenergetische ruis af te wijzen. Dit creëert een scenario waarin de detector één schoon evenement ziet, maar de tientallen rommelige gebeurtenissen mist die er mee zouden moeten gaan. De onderzoekers berekenden dat de interactiekracht die nodig is om dit enkele evenement te produceren, overeenkomt met een specifieke schaal van nieuwe fysica, ongeveer 11,5 teraelektronvolt. Deze waarde is hoog genoeg om het evenement te verklaren zonder in strijd te zijn met het lege lage-energiespectrum, wat de theorie op het eerste gezicht levensvatbaar maakt.

Echter, het verhaal neemt een scherpe wending wanneer de onderzoekers verder kijken dan de xenon-tank. Ze richtten hun aandacht op de gegevens van KamLAND, een enorme vloeibare scintillatie-detector in Japan die gevuld is met olie en ontworpen is om neutrino's te observeren. Deze detector is gevoelig voor een andere reactie: als dezelfde deeltjes donkere materie bestaan, zouden ze ook geabsorbeerd kunnen worden door koolstofatomen in de detector, waarbij een neutron wordt uitgeslagen. Dit proces zou een duidelijk signaal creëren van een uitgezonden neutron, gevolgd door een vertraagde flits van licht wanneer de neutron wordt opgevangen. Door de bestaande gegevens van KamLAND te heranalyseren, vonden de onderzoekers dat de detector een aanzienlijk aantal van deze neutron-emissie-evenementen zou moeten hebben gezien als het donkere materie-model dat het LUX-ZEPLIN-evenement verklaart, waar was.

De heranalyse onthulde een scherp tegenstrijdigheid. De KamLAND-gegevens tonen geen bewijs van deze neutron-evenementen, wat een strikte bovengrens stelt aan hoe vaak dergelijke interacties kunnen voorkomen. Deze limiet ligt ver onder de interactiekracht die vereist is om het enkele evenement te produceren dat in de LUX-ZEPLIN-experiment werd gezien. Met andere woorden, het model dat het xenon-evenement perfect verklaart, wordt expliciet tegengesproken door de koolstofgegevens. De onderzoekers concluderen dat hoewel het idee van fermionische donkere materie-absorptie een boeiende manier is om een hoogenergetische nucleaire terugslag te verklaren, de specifieke parameters die nodig zijn om de LUX-ZEPLIN-observatie te matchen, incompatibel zijn met de beperkingen van KamLAND. De spanning tussen deze twee grote detectoren suggereert dat het enkele evenement in de xenon-tank waarschijnlijk niet wordt veroorzaakt door dit specifieke type donkere materie-absorptie, wat de oorsprong van de anomalie onopgelost laat en wijst op de noodzaak voor toekomstige, toegewijde hoogenergetische analyses om het mysterie op te lossen.