Inelastic $B-L$ scalar dark matter and the LUX-ZEPLIN event

Diep in de stilte van het universum blijft een groot deel van de materie onzichtbaar voor onze ogen en onze krachtigste telescopen. Wetenschappers noemen deze onzichtbare substantie donkere materie, en decennialang was de leidende theorie dat deze bestaat uit zware, langzaam bewegende deeltjes die zelden interageren met de gewone materie waaruit sterren, planeten en wijzelf zijn opgebouwd. Deze hypothetische deeltjes, bekend als zwak interagerende massieve deeltjes (WIMPs), worden verwacht slechts af en toe tegen atoomkernen te botsen, waarbij een klein, meetbaar flitsje energie achterblijft. De aard van deze botsingen is echter een onderwerp van intens debat geweest, vooral nadat er onlangs een verwarrend signaal verscheen in de gegevens verzameld door een enorme detector die diep onder de grond is begraven.

Het LUX-ZEPLIN-experiment, gelegen in een voormalige goudmijn in South Dakota, is ontworpen om deze zeldzame fluisteringen uit de donkere sector op te vangen. In hun recente analyse van gegevens verzameld over 220 dagen, rapporteerde de samenwerking een enkel, anomal event. In tegen tegenstelling tot de zachte tikjes die worden verwacht van standaard donkere materie-theorieën, vertoonde dit evenement een aanzienlijk hogere energieafzetting, een signaal dat opviel met een statistisch gewicht dat niet gemakkelijk als willekeurige ruis of bekende achtergrondinterferentie kan worden afgedaan. Hoewel dit enkele evenement nog geen bevestigde ontdekking is, heeft het een felle zoektocht ontketend naar nieuwe fysica die zou kunnen verklaren waarom een donkere materie-deeltje met een dergelijke onverwachte kracht tegen een kern zou botsen.

Een team van natuurkundigen, Nobuchika Okada en Osamu Seto, heeft een specifieke verklaring voorgesteld voor deze anomalie die naadloos past binnen een breder kader van de deeltjesfysica. Zij suggereren dat de donkere materie in kwestie niet één enkel, uniform deeltje is, maar eerder bestaat uit twee zeer vergelijkbare toestanden die bijna identiek zijn in massa, maar net niet hetzelfde. In hun model maken deze deeltjes deel uit van een theoretische uitbreiding op het Standaardmodel van de fysica, die een nieuwe kracht bevat die wordt gedragen door een zwaar deeltje genaamd een Z-prime bosonen. Deze nieuwe kracht is gekoppeld aan een eigenschap genaamd "baryon-minus-lepton getal", een concept dat helpt verklaren waarom neutrino's massa hebben, maar in dit scenario reguleert het ook hoe donkere materie zich gedraagt.

De onderzoekers laten zien dat wanneer een donkere materie-deeltje uit dit model een atoomkern raakt, het niet simpelweg wegstuitert. In plaats daarvan dwingt de botsing het deeltje om van zijn lichtere staat naar een iets zwaardere staat te springen. Deze overgang vereist energie, vergelijkbaar met een bal die een kleine heuvel op rolt. Omdat het deeltje een deel van zijn kinetische energie moet gebruiken om deze sprong te maken, wordt de resulterende terugslag van de kern naar een hoger energieniveau geduwd dan wat men bij een standaard elastische botsing zou zien. Dit mechanisme verklaart op natuurlijke wijze de hoogenergetische signalen die door het LUX-ZEPLIN-team zijn waargenomen, waardoor een verwarrende uitschieter wordt omgezet in een voorspelbare uitkomst van een specifiek fysisch proces.

Om dit scenario werkbaar te maken, vereist het model dat de donkere materie-deeltjes een massa hebben in de orde van grootte van enkele biljoen elektronvolt, een schaal die zwaar is maar binnen het bereik van toekomstige deeltjesversnellers ligt. De onderzoekers vonden dat om de donkere materie in de juiste hoeveelheid te laten bestaan om het universum vandaag de dag te vullen, de massa van het donkere materie-deeltje ongeveer de helft moet zijn van de massa van het zware Z-prime bosonen dat de kracht bemiddelt. Bovendien moet de sterkte van de nieuwe kracht worden afgestemd op een specifie specifieke waarde, ongeveer de helft van de sterkte van de elektromagnetische kracht, om ervoor te zorgen dat de deeltjes in de vroege fase van het universum met de juiste snelheid annihileerden. Wanneer aan deze voorwaarden wordt voldaan, voorspelt het model dat de waarschijnlijkheid dat een donkere materie-deeltje een atoomkern raakt en een dergelijke hoogenergetische sprong veroorzaakt, ongeveer één op tien tot de macht 45 vierkante centimeter is. Deze voorspelde frequentie komt perfect overeen met het enkele evenement dat door de LUX-ZEPLIN-detector is waargenomen.

De schoonheid van dit voorstel ligt in de toetsbaarheid. In tegenstelling tot veel theorieën over donkere materie die in het rijk van de speculatie blijven, maakt dit model een scherpe voorspelling over het bestaan en de massa van het Z-prime bosonen. Omdat de massa van de donkere materie en de massa van de krachtdrager aan elkaar gekoppeld zijn door de vereiste om de juiste hoeveelheid donkere materie in het universum te produceren, zouden toekomstige hoogenergetische collider-experimenten dit Z-prime deeltje moeten kunnen vinden als het model correct is. Als deze machines het Z-prime bosonen kunnen produceren bij de voorspelde massa, zou dat een beslissende bevestiging bieden dat de donkere materie die verantwoordelijk is voor het LUX-ZEPLIN-evenement inder dat dit inelastische scalaire deeltje is. Het artikel beweert niet het mysterie van de donkere materie te hebben opgelost, maar biedt een concreet, wiskundig consistent pad voorwaarts dat een enkel vreemd evenement verandert in een routekaart voor ontdekking.