Exothermic dark matter and the 248 keV nuclear recoil in LUX-ZEPLIN

Diep onder de aarde, in een tank met vloeibaar xenon die kouder is dan de ruimte, luisteren wetenschappers naar de zwakste fluistering van de meest overvloedige mysterie van het universum: donkere materie. Deze onzichtbare substantie vormt het grootste deel van de materie in het kosmos, maar weigert op elke manier waarmee we het gemakkelijk kunnen detecteren te interageren met licht of gewone atomen. Decennialang was de leidende theorie dat donkere materie bestaat uit zware, langzaam bewegende deeltjes die af en toe tegen atoomkernen botsen, waarbij ze een piepkleine hoeveelheid energie overdragen. Echter, de nieuwste gegevens van het LUX-ZEPLIN-experiment hebben een enkel, verwarrend evenement gerapporteerd dat niet past in dit standaardbeeld. In plaats van een zachte duw, registreerde de detector een kern die terugdeinsde met een energie van 248 keV, een waarde die veel te hoog is voor een typische botsing en die wijst op een veel complexere interactie. Deze anomalie heeft een nieuwe lijn van onderzoek ontketend, die onderzoekers uitdaagt om de fundamentele aard van de donkere sector en de regels die bepalen hoe deze onzichtbare deeltjes zich zouden kunnen gedragen wanneer ze eindelijk de zichtbare wereld ontmoeten, opnieuw te overwegen.

Een team van natuurkundigen heeft een frisse verklaring voorgesteld voor dit eenzame evenement, waarbij zij suggereren dat het betrokken donkere materiedeeltje niet een eenvoudig, statisch object is, maar eerder deel uitmaakt van een paar met twee verschillende energietoestanden. In dit scenario is het donkere materiedeeltje dat de halo rond ons sterrenstelsel vormt, niet in zijn laagste energietoestand, maar bevindt zich in plaats daarvan in een opgewekte, zwaardere versie van zichzelf. Wanneer dit opgewekte deeltje botst met een xenonatoom in de detector, stuitert het niet simpelweg weg; het daalt af naar zijn lagere, lichtere toestand. Hierbij geeft het de extra energie die het met zich meedroeg vrij, die vervolgens wordt overgedragen aan de xenonkern, waardoor deze terugdeinst met de specifieke, hoge energie die werd waargenomen. Dit proces staat bekend als downscattering, en het draait het gebruikelijke script om van hoe interacties van donkere materie naar verwachting werken.

De betekenis van dit idee ligt in het feit dat het een groot probleem oplost dat eerdere pogingen om het evenement te verklaren heeft geplaagd. Eerdere theorieën suggereerden dat het donkere materiedeeltje energie moest absorberen om naar een zwaardere toestand te springen, een proces genaamd upscattering. Om dat te laten gebeuren, zou het donkere materiedeeltje ongelooflijk snel moeten bewegen, nabij de uiterste grens van de snelheid die door de zwaartekracht van het sterrenstelsel wordt toegestaan. Dit maakte de voorspelde hoeveelheid evenementen extreem gevoelig voor onzekere details over hoe snel donkere materie beweegt in onze buurt; een kleine verandering in de aangenomen snelheid van de rand van het sterrenstelsel zou het voorspelde aantal evenementen wild laten schommelen van nul tot honderden. Het nieuwe downscattering-model verwijdert deze kwetsbaarheid volledig. Omdat het deeltje energie vrijgeeft in plaats van absorbeert, is er geen minimale snelheid vereist voor de botsing om plaats te vinden. Het resultaat is een voorspelling die stabiel en betrouwbaar blijft, en minder dan één procent verandert, zelfs als ons begrip van de snelheidslimieten van het sterrenstelsel aanzienlijk verschuift.

Deze stabiliteit stelt de onderzoekers in staat om een duidelijke, testbare voorspelling te doen die hun idee onderscheidt van de oudere. Als het evenement werd veroorzaakt door een deeltje dat naar een lagere energietoestand daalt, dan zou hetzelfde proces ook moeten plaatsvinden in detectoren gevuld met argon, een lichter element dan xenon. Sterker nog, het model voorspelt dat een argon-detector tussen de vier en zes soortgelijke evenementen per jaar van bedrijf zal zien. Daartegenover staan de oudere theorieën, die vertrouwen op het feit dat het deeltje extreme snelheden nodig heeft om energie te absorberen, die voorspellen dat dergelijke evenementen nooit in argon gezien zullen worden, omdat de vereiste snelheid de maximale snelheid zou overschrijden die een deeltje van donkere materie in ons sterrenstelsel mogelijk kan hebben. Dit creëert een definitieve manier om de vraag te beslechten: als toekomstige experimenten met argon deze evenementen zien, wordt het downscattering-model ondersteund; als ze niets zien, wordt het idee uitgesloten.

De onderzoekers moesten ook waarborgen dat dit scenario fysiek mogelijk is over de levensduur van het universum. Om de opgewekte donkere materiedeeltjes vandaag de dag nog steeds te laten bestaan, moeten ze stabiel genoeg zijn om miljarden jaren te overleven zonder te vervallen in andere deeltjes. De studie toont aan dat dit alleen mogelijk is als het energieverschil tussen de twee toestanden klein genoeg is om bepaalde snelle vervallen te voorkomen, wat op zijn beurt een ondergrens stelt aan de massa van het donkere materiedeeltje. Bovendien kan de interactie niet worden aangedreven door de standaard natuurkrachten, zoals de zwakke kernkracht, omdat dat veel te veel evenementen zou produceren. In plaats daarvan moet de botsing worden bemiddeld door een nieuwe, verborgen krachtdrager die de donkere sector met de onze verbindt, maar met een sterkte die zo zwak is dat deze tot nu toe aan detectie is ontsnapt.

Door de complexe wiskunde te doorwerken van hoe deze deeltjes evolueren in de loop van de tijd, was het team in staat om exact te berekenen hoeveel van de donkere materiedeeltjes zich in deze opgewekte toestand versus de grondtoestand bevinden. Ze ontdekten dat de overgrote meerderheid van de donkere materie in het sterrenstelsel zich eigenlijk in de lagere, stabiele toestand bevindt, met slechts een minuscuul fractie die in de opgewekte toestand blijft. Deze kleine fractie is voldoende om het enkele evenement te produceren dat door het LUX-ZEPLIN-experiment werd waargenomen, mits de interactiestrengte is afgestemd op een specifieke, zeer zwakke waarde. Deze berekening onthult ook dat de deeltjes in de grondtoestand, die het merendeel van de donkere materie vormen, nog steeds met de detector kunnen interageren, maar dat zij dat zouden doen door energie te absorberen. Cruciaal is dat voor het specifieke energiereik van het waargenomen evenement, deze upscattering van de grondtoestand kinematisch verboden is tenzij de energie-splitsing tussen de toestanden zeer klein is; deze beperking sluit effectief kleinere splitsingswaarden uit en zorgt ervoor dat het model consistent blijft met de observatie. Deze interne consistentie helpt om andere interpretaties uit te sluiten en vernauwt de zoektocht naar de ware aard van donkere materie.

Het artikel concludeert dat dit enkele evenement, in plaats van een statistische toevalstreffer of een teken van een compleet nieuwe fysica, de eerste blik zou kunnen zijn op een specifiek type donkere materie dat van interne toestand verandert bij een botsing. Het model is zelfconsistent, vermijdt de extreme gevoeligheden van eerdere theorieën en biedt een duidelijke weg naar verificatie. De volgende stap is niet het bouwen van een grotere versie van de huidige detector, maar het kijken naar gegevens van experimenten die gebruikmaken van verschillende materialen, met name argon, om te zien of de voorspelde evenementen verschijnen. Als ze verschijnen, zou dit bevestigen dat donkere materie niet alleen een stille, onzichtbare massa is, maar een dynamische substantie die in staat is haar eigen natuur te veranderen wanneer zij de gewone materie tegenkomt waar wij uit zijn opgebouwd.