From LUX-ZEPLIN to Colliders: Probing Higgsino Dark Matter

Al decennia lang weten astronomen dat het universum gevuld is met onzichtbare materie. Deze "donkere materie" zendt geen licht uit en reflecteert het ook niet, maar de zwaartekracht ervan houdt sterrenstelsels bij elkaar en vormt het kosmische web. Hoewel we de effecten ervan kunnen zien, blijft de fundamentele aard van deze substantie een van de grootste mysteries in de natuurkunde. Een van de leidende ideeën is dat donkere materie bestaat uit zware, traag bewegende deeltjes die zelden interageren met gewone materie. Als deze deeltjes bestaan, zouden ze af en toe tegen de kernen van atomen botsen in diepe ondergrondse detectoren, wat kleine flitsen van energie veroorzaakt. De uitdaging voor wetenschappers is dat deze botsingen extreem zeldzaam zijn en vaak signalen produceren die zo zwak zijn dat ze gemakkelijk verloren gaan in de achtergrondruis van de natuurlijke wereld.

Onlangs rapporteerde een massief experiment genaamd LUX-ZEPLIN, diep onder de aarde in South Dakota, een enkel, raadselachtig evenement. De detector registreerde een kernrecoil met een energie van ongeveer 248 keV. Dit is ongewoon hoog voor een botsing met donkere materie, die doorgaans veel zwakkere signalen produceert. Hoewel dit enkele evenement niet voldoende is om een ontdekking te claimen, heeft het intense belang gewekt omdat het past bij een specifiek theoretisch model dat een type deeltje genaamd een Higgsino omvat. Als dit model correct is, impliceert dit dat deeltjes van donkere materie niet alleen zwaar zijn, maar ook een zeer specifieke interne structuur hebben die bepaalt hoe ze met het universum interageren.

Een team van natuurkundigen heeft deze intrigerende aanwijzing nu gevolgd en de consequenties ervan helemaal doorgetrokken naar de krachtigste deeltjesversnellers ter wereld. Ze verkenden een scenario waarin het donkere materiedeeltje een bijna pure Higgsino is met een massa van ongeveer 1,1 TeV. In dit model bestaat het donkere materiedeeltje uit twee licht verschillende toestanden die bijna identiek zijn in gewicht, maar gescheiden door een minuscule kloof. Wanneer een deeltje van donkere materie uit de ruimte tegen een atoom in een detector botst, moet het genoeg energie krijgen om van de lichtere naar de zwaardere toestand te springen. Deze "inelastische" sprong vereist een botsing met een hoge snelheid, wat verklaart waarom de LUX-ZEPLIN-detector zo een hoogenergetisch evenement zag. De onderzoekers berekenden dat hiervoor de massaverandering tussen deze twee toestanden ongeveer 350 keV moet zijn.

Het verhaal eindigt niet bij het donkere materiedeeltje zelf. Dezelfde theorie die deze twee neutrale toestanden voorspelt, voorspelt ook een derde, geladen partner. Dit geladen deeltje, bekend als een chargino, heeft bijna dezelfde massa als de neutrale donkere materiedeeltjes, maar is iets zwaarder met ongeveer 350 MeV. Omdat dit massaververschil zo klein is, kan het geladen deeltje niet vervallen in zware deeltjes. In plaats daarvan vervalt het in een neutraal donkere materiedeeltje en een zeer zachte, laagenergetische pion, wat een type subatomair deeltje is. Dit proces gebeurt ongelooflijk snel, waarbij het geladen deeltje slechts ongeveer 0,025 nanoseconde leeft voordat het verdwijnt.

Dit vluchtige bestaan creëert een unieke signatuur waar wetenschappers naar kunnen zoeken. Wanneer een dergelijk geladen deeltje in een versneller wordt gecreëerd, legt het een kleine afstand af — ongeveer 6 tot 8 millimeter — voordat het vervalt. In de taal van de deeltjesfysica is dit een "verdwijnend spoor" (disappearing track). Het deeltje laat een kort, zichtbaar spoor achter in de trackinglagen van de detector, en dan stopt het spoor simpelweg. Het vervalproduct, de zachte pion, is vaak te zwak om door standaarddetectoren te worden waargenomen. Dit maakt het signaal extreem moeilijk te vinden, aangezien het deeltje verdwijnt voordat het ver genoeg kan reizen om volledig door de sensoren van de machine te worden gereconstrueerd.

De onderzoekers onderzochten of huidige experimenten bij de Large Hadron Collider (LHC) dit deeltje al hadden gevonden. Ze kwamen tot de conclusie dat het antwoord "nee" is. De LHC zoekt naar verdwijnende sporen, maar de huidige gevoeligheid strekt zich slechts uit tot deeltjes met massa's tot ongeveer 225 GeV. De Higgsino die de LUX-ZEPLIN-gebeurtenis voorspelt, is veel zwaarder, namelijk 1,1 TeV, en de waarschijnlijkheid dat dit deeltje lang genoeg overleeft om door de huidige detectoren te worden gezien, is verwaarloosbaar klein. Het team toonde aan dat de huidige LHC-data dit scenario niet uitsluiten, waardoor de deur wagenwijd open blijft staan voor dit specifieke type donkere materie.

Vooruitblikkend schetst het artikel hoe toekomstige machines dit ongrijpbare deeltje eindelijk zouden kunnen vangen. De High-Luminosity LHC, die in de komende jaren met veel meer data zal werken, zou dit signaal kunnen zien, maar alleen als de detectoren worden geüpgraded om zelfs kortere sporen te herkennen. De onderzoekers benadrukken dat het simpelweg verzamelen van meer data niet genoeg is; de detectoren moeten in staat zijn om sporen te reconstrueren die slechts enkele millimeters lang zijn. Nog veelbelovender zijn de plannen voor toekomstige versnellers, zoals een 100 TeV protonenversneller of een 10 TeV muonenversneller. Deze machines zouden deze zware deeltjes veel frequenter en met hogere snelheden produceren, wat de kans vergroot dat het geladen deeltje ver genoeg reist om gedetecteerd te worden voordat het vervalt.

De schoonheid van dit werk ligt in hoe het twee zeer verschillende manieren verbindt om het universum te bestuderen. Het LUX-ZEPLIN-experiment zoekt naar donkere materie door te kijken naar zeldzame botsingen in een tank met vloeibaar xenon, terwijl deeltjesversnellers proberen deze deeltjes vanuit het niets te creëren. Het artikel demonstreert dat als de LUX-ZEPLIN-gebeurtenis inderdaad wordt veroorzaakt door deze specifieke Higgsino, de geladen partner moet bestaan met een zeer precieze massa en een zeer precieze levensduur. Dit creëert een duidelijk doelwit voor toekomstige experimenten. Als een versneller een verdwijnend spoor vindt met een levensduur van ongeveer 0,025 nanoseconde en een massa van 1,1 TeV, zou dit een onafhankelijke bevestiging zijn van het signaal van donkere materie dat ondergronds is waargenomen. Omgekeerd, als toekomstige versnellers met de juiste capaciteiten dit deeltje niet vinden, zou de Higgsino-uitleg voor de LUX-ZEPLIN-gebeurtenis worden uitgesloten.

Uiteindelijk transformeert dit onderzoek een enkel, ambigu datapunt in een concreet stappenplan voor ontdekking. Het suggereert dat het universum misschien een zwaar, geladen deeltje verbergt dat slechts een fractie van een miljardste van een seconde leeft en slechts een microscopisch litteken in de detector achterlaat. Of dit deeltje nu bestaat of niet, het pad naar de vondst ervan is nu duidelijk gedefinieerd. De volgende generatie experimenten moet worden gebouwd met het vermogen om deze minuscule, verdwijnende sporen te zien, om een theoretische mogelijkheid om te zetten in een toetsbare realiteit. Als het universum inderdaad gevuld is met deze zware Higgsinos, zal het antwoord niet komen van een enkele lichtflits, maar van de afwezigheid van een spoor dat er had moeten zijn.