Higgsino Dark Matter Interpretation of the LZ High-Recoil Event in the GNMSSM with TeV-Scale Gauginos

Decennialang was de zoektocht naar donkere materie een jacht op een spook. Wetenschappers weten dat deze onzichtbare substantie het grootste deel van de materie in het universum vormt en sterrenstelsels met zijn zwaartekracht bij elkaar houdt, maar het weigert op elke manier met licht of gewone materie te interageren die wij gemakkelijk kunnen detecteren. De leidende theorie suggereert dat deze deeltjes "zwak interagerende massieve deeltjes" zijn, of WIMPs, die af en toe tegen de kernen van atomen zouden moeten botsen in diep ondergrondse detectoren, wat een klein flitsje energie creëert. Echter, jarenlang hebben de meest gevoelige detectoren niets anders dan stilte gevonden, waarmee veel van de eenvoudigste ideeën over wat donkere materie zou kunnen zijn, werden uitgesloten. Recentelijk rapporteerde een belangrijk experiment genaamd LUX-ZEPLIN, begraven diep onder een mijn in South Dakota, een enkel, verwarrend evenement. Een xenonatoom in de detector leek terug te stoten met een energie van ongeveer 248 kilo-elektronvolt, een waarde die veel hoger is dan de zachte tikjes die worden verwacht van standaard botsingen van donkere materie. Dit enkele signaal, dat optrad op een plek waar bijna geen achtergrondruis werd verwacht, riep een nieuwe vraag op: zou dit een teken kunnen zijn van een complexere soort donkere materie die zich anders gedraagt dan de eenvoudige modellen voorspellen?

Een team van natuurkundigen onder leiding van onderzoekers van de Zhengzhou Universiteit heeft deze anomalie genomen en een nieuw theoretisch kader gebouwd om dit te verklaren, waarbij ze verder gaan dan de standaardmodellen die het veld hebben gedomineerd. Ze richtten zich op een specifiek type kandidaat voor donkere materie dat bekend staat als een Higgsino, een deeltje dat natuurlijk voortkomt uit theorieën die de Standaardmodellen van de fysica uitbreiden. In de eenvoudigste versie van deze theorieën zou een Higgsino-deeltje van donkere materie ongelooflijk zwaar moeten zijn, rond de 1,1 biljoen elektronvolt, en zou het andere zware deeltjes nodig hebben die miljoenen malen zwaarder zijn dan alles wat we momenteel in deeltjesversnellers kunnen creëren. Dit extreme verschil in schaal maakt de theorie onnatuurlijk en moeilijk te accepteren. De onderzoekers stelden voor dat door één nieuw ingrediënt aan de theorie toe te voegen — een "singlet"-deeltje dat niet interageert met de bekende krachten — zij een scenario konden creëren waarin de Higgsino zich precies zo gedraagt als het LUX-ZEPLIN-evenement suggereert, zonder die onmogelijke massa's nodig te hebben.

De kern van hun werk betreft een proces dat inelastische verstrooiing wordt genoemd. In een standaardbotsing raakt een deeltje van donkere materie een atoom en stuitert weg, waarbij een kleine hoeveelheid energie wordt overgedragen. In dit nieuwe scenario botst het deeltje van donkere materie tegen een atoom en transformeert het tegelijkertijd in een iets zwaardere versie van zichzelf. Deze transformatie vereist een specifieke hoeveelheid energie, zoals een tol die betaald moet worden om een brug over te steken. Omdat het deeltje van donkere materie deze tol moet betalen, moet het zeer snel bewegen om genoeg energie te hebben om de overstap te maken. Deze vereiste filtert de langzaam bewegende donkere materie die normaal gesproken het sterrenstelsel vult eruit, waardoor alleen de snelste deeltjes een botsing veroorzaken. Wanneer deze snelle deeltjes botsen, dragen ze een grote hoeveelheid energie over, wat de hoogenergetische terugslag veroorzaakt die in de detector werd gezien. De onderzoekers berekenden dat voor dit proces de specifieke 248 keV signalering te produceren, het massadeverschil tussen de twee versies van het deeltje van donkere materie zeer klein moet zijn, ongeveer 330 tot 350 duizend elektronvolt.

Om dit werkend te krijgen, maakte het team gebruik van een model genaamd het General Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model. In dit model mengt de Higgsino zich met het nieuwe singlet-deeltje. Deze menging is de sleutel tot het oplossen van het puzzelstuk. In oudere theorieën vereiste het creëren van zo'n minuscuul massadeverschil tussen de twee toestanden van donkere materie dat de andere zware deeltjes in de theorie onmogelijk massief waren, wat een rigide en onnatuurlijke structuur creëerde. In dit nieuwe model biedt de menging met het singlet een tweede manier om dat massadeverschil te genereren. Deze nieuwe bijdrage kan de oude bijdrage compenseren of in evenwicht brengen, waardoor het massadeverschil precies goed kan zijn terwijl de andere zware deeltjes op een veel redelijker niveau van enkele biljoenen elektronvolt blijven. Dit elimineert de noodzaak voor de extreme, onnatuurlijke hiërarchie van massa's die eerdere pogingen om het evenement te verklaren te kwelde.

De onderzoekers testten dit idee door zes specifieke voorbeelden, of "benchmarkpunten", te creëren van hoe het universum er onder deze regels uit zou kunnen zien. In elk voorbeeld pasten ze de massa's en interactiekrachten van de deeltjes aan om te zien of ze het geobserveerde evenement konden reproduceren terwijl ze ook aan alle andere bekende wetten van de fysica voldeden. Ze vonden dat het model in alle zes de gevallen de juiste hoeveelheid donkere materie in het universum vandaag de dag succesvol produceerde, overeenkomend met de precieze metingen die door kosmologen zijn gedaan. Ze controleerden ook of deze modellen niet zouden worden uitgesloten door andere experimenten die zoeken naar donkere materie, of door zoektochten naar nieuwe deeltjes bij de Large Hadron Collider. De resultaten waren consistent over de hele linie. De modellen voorspelden dat de deeltjes van donkere materie massa's zouden hebben variërend van ongeveer 660 tot 1.100 miljard elektronvolt, een bereik dat veel flexibeler is dan de vaste 1,1 biljoen elektronvolt die de oudere theorieën vereisten.

Misschien wel het belangrijkste is dat het nieuwe model verandert hoe de donkere materie met de zon interageert. In de oudere, rigide theorieën betekenden dezelfde eigenschappen die ervoor zorgden dat de donkere materie met de detector interageerde, ook dat het door de zwaartekracht van de zon zou worden gevangen en zou annihileren, waarbij hoogenergetische neutrino's zouden worden geproduceerd die door de IceCube-telescoop gedetecteerd hadden moeten worden. Het gebrek aan dergelijke neutrino's was een groot probleem voor de oude theorie. In dit nieuwe model verzwakt de menging met het singlet-deeltje de interactie tussen de donkere materie en de detector, en verandert het ook de massa van de donkere materie. Deze combinatie vermindert de snelheid waarmee de donkere materie door de zon wordt gevangen aanzienlijk, wat betekent dat het model kan overleven aan de IceCube-beperkingen die het anders uitgeschakeld zouden hebben. De onderzoekers berekenden dat hun best passende scenario de LUX-ZEPLIN-data zeer nauwkeurig benadert, met een statistische mate van overeenstemming die beter is dan bijna elk ander punt dat ze hebben getest.

Dit werk beweert niet bewezen te hebben dat donkere materie een Higgsino is of dat het LUX-ZEPLIN-evenement definitief een botsing van donkere materie was. Het is een theoretische demonstratie dat een dergelijk evenement mogelijk is binnen een specifieke, goed gemotiveerde uitbreiding van de fysica. De onderzoekers hebben aangetoond dat door één nieuw type deeltje te introduceren, het universum een hoogenergetische terugslag-evenement kan huisvesten zonder de extreme en onnatuurlijke condities van eerdere modellen te vereisen. Ze hebben een concreet pad vooruit geboden, waarbij ze suggereren dat als toekomstige experimenten dit signaal bevestigen, het antwoord kan liggen in een versie van supersymmetrie waarbij de zware deeltjes niet miljoenen malen zwaarder zijn dan de lichte, maar in plaats daarvan binnen een meer toegankelijke reikwijdte liggen. De studie biedt een helder, zelfconsistent beeld van hoe de anomalie zou kunnen ontstaan, waarbij een enkel, mysterieus signaal wordt omgezet in een potentieel venster naar een complexere en flexibelere realiteit.