Seasonal dark matter from the LUX-ZEPLIN high-energy event

Diep in de stilte van het universum drijft naar verluidt een enorme, onzichtbare substantie die bekend staat als donkere materie door ons sterrenstelsel, waarbij het gewone materie passeert zonder een spoor achter te laten. Decennialang hebben wetenschappers ongelooflijk gevoelige detectoren diep onder de grond gebouwd, in de hoop een zeldzaam moment te vangen waarop een deeltje donkere materie tegen een atoomkern botst, waardoor deze terugdeelt met een kleine uitbarsting van energie. De meeste zoektochten hebben zich gericht op laagenergetische botsingen, uitgaande van de veronderstelling dat donkere materie langzaam en voorzichtig beweegt. Echter, een nieuwe analyse van gegevens van het LUX-ZEPLIN-experiment suggereert dat, indien er inderdaad een deeltje donkere materie werd gedetecteerd, het veel sneller had kunnen bewegen en veel harder had kunnen botsen dan voorheen verwacht, waarbij het een specifieke vorm van interne structuur met zich meed, die de manier waarop het botst verandert.

Het LUX-ZEPLIN-experiment, gelegen in een mijn in South Dakota, rapporteerde onlangs een enkel, ongewoon evenement. In een enorme tank met vloeibaar xenon deelde een kern een terugslag met een energie van 248 kiloelektronvolt, een waarde die aanzienlijk hoger is dan de typische signalen waar onderzoekers naar zoeken. Hoewel de achtergrondruis in dat energiebereik bijna nul werd verwacht, viel dit enkele evenement eruit. De onderzoekers achter deze nieuwe studie, Christopher McCabe van King's College London, stelden een eenvoudige vraag: wat als dit evenement geen fout of een fluctuatie in de achtergrond was, maar een echt signaal van donkere materie? Om dit te beantwoorden, verkenden zij een specifieke theorie genaamd inelastische donkere materie. In dit scenario is donkere materie niet slechts een enkel, statisch deeltje, maar komt het voor in twee toestanden, zoals een lichte en een zware versie van hetzelfde ding. Wanneer een deeltje donkere materie tegen een xenonkern botst, stuitert het niet alleen weg; het absorbeert een deel van de botsingsenergie om te transformeren naar zijn zwaardere toestand. Dit proces vereist een hogere snelheid om plaats te vinden, wat effectief de langzaam bewegende deeltjes filtert en het resulterende signaal naar hogere energieën duwt.

Toen het team het enkele geobserveerde evenement aan dit model koppelde, wezen de resultaten naar een zeer specifieke en extreme situatie. De gegevens suggereerden dat het energieverschil tussen de lichte en zware toestanden van donkere materie groot is, wat de vereiste botsingssnelheid naar de uiterste grens brengt van wat fysiek mogelijk is binnen ons sterrenstelsel. De deeltjes donkere materie die verantwoordelijk waren voor deze klap, zouden moeten reizen met snelheden die bijna gelijk zijn aan de ontsnappingssnelheid van de Melkweg, de maximale snelheid die een deeltje kan hebben terwijl het nog steeds gevangen zit in de gravitationele grip van het sterrenstelsel. Omdat deze deeltjes zo snel zijn, vertegenwoordigen ze slechts de absolute top van de snelheidsverdeling, een minuscuul deel van de totale populatie. Deze extreme vereiste heeft een diepgaand gevolg voor wanneer we ze zouden kunnen zien. De Aarde draait om de Zon, en terwijl zij door het sterrenstelsel beweegt, verandert haar snelheid ten opzichte van de halo van donkere materie gedurende het jaar. In juni beweegt de Aarde in dezelfde richting als de Zon, wat de snelheid verhoogt, terwijl ze in december tegen de stroom in beweegt, wat de snelheid vermindert. Voor de snel bewegende donkere materie die dit model vereist, is dit verschil cruciaal.

De analyse laat zien dat dit signaal intens seizoensgebonden zou zijn. Voor de parameters die het beste bij de gegevens passen, zou de frequentie van dergelijke gebeurtenissen niet slechts een beetje op en neer wiebelen gedurende het jaar; het zou dramatisch schommelen. In de zomermaanden, met name rond juni, zou de snelheid van de Aarde hoog genoeg zijn om deze snelle deeltjes op te vangen, en zou de detector een signaal zien. Maar voor een aanzienlijk deel van het jaar, misschien wel twee derde, zou de Aarde te langzaam bewegen om de botsing überhaupt te triggeren. In dit scenario zou het signaal tijdens de wintermaanden volledig verdwijnen, piekend in de zomer en naar nul dalend. De studie berekent dat voor de meest waarschijnlijke waarden, de jaarlijkse modulatie — het verschil tussen de piek en het dal — 100 procent zou kunnen bereiken, wat betekent dat het signaal gedurende een deel van het jaar volledig afwezig is. Dit staat in scherp contrast met standaardmodellen voor donkere materie, die een veel kleinere, milde variatie voorspellen.

De onderzoekers keken ook naar wat nodig zou zijn om dit vreemde seizoenspatroon te bevestigen. Omdat het huidige experiment slechts één evenement zag, kan het het patroon niet op zichzelf bewijzen. Ze berekenden echter dat een experiment van de volgende generatie met een veel grotere doelwitmassa, zoals het voorgestelde XLZD- of het PandaX-programma, voldoende gegevens zou kunnen verzamelen om dit idee direct te testen. Als het signaal inderdaad echt is en het inelastische model volgt, zou een grotere detector ongeveer 11 evenementen moeten observeren om het seizoenspatroon met 3σ vertrouwen vast te stellen, of 31 evenementen voor 5σ vertrouwen, aantallen die toekomstige experimenten binnen enkele jaren van gebruik kunnen bereiken. De studie merkt ook een subtiele aanwijzing op die verborgen ligt in de soorten xenonatomen betrokken zijn. Omdat de zwaarste isotopen van xenon beter zijn in het opvangen van deze snelle deeltjes, zou de mix van atomen die het signaal produceren verschuiven naarmate de energievereisten veranderen, wat een secundaire manier biedt om de theorie te controleren.

Uiteindelijk claimt dit artikel niet het mysterie van de donkere materie te hebben opgelost. Het biedt een specifieke, toetsbare interpretatie van een enkel, raadselachtig evenement. Als het evenement echt is en wordt veroorzaakt door inelastische donkere materie, impliceert dit dat de deeltjes bewegen op de uiterste limiet van galactische snelheden en dat hun aanwezigheid een vluchtig, seizoensgebonden fenomeen is. De bevindingen suggereren dat het antwoord op wat donkere materie is, wellicht afhangt van het kijken naar de gegevens, niet alleen voor een signaal, maar voor het ritme van de seizoenen. Toekomstige detectoren zullen in staat zijn om naar dit ritme te luisteren, om te controleren of het signaal werkelijk verdwijnt in de winter en terugkeert in de zomer, waardoor een enkel datapunt verandert in een definitief verhaal over de aard van het onzichtbare universum.