Endothermic dark matter with a light dark photon and the LUX--ZEPLIN high-energy nuclear-recoil candidate

Diep onder het oppervlak van de aarde, in een tank met vloeibaar xenon dat is afgekoeld tot de temperatuur van de diepe ruimte, luisteren wetenschappers naar een fluistering. Dit is het LUX-ZEPLIN-experiment, een enorme detector die is ontworpen om de zeldzaamste van alle interacties te vangen: een botsing tussen een deeltje donkere materie en een atoom van gewone materie. Donkere materie is de onzichtbare steiger van het universum, die sterrenstelsels bij elkaar houdt, maar het weigert licht te weerkaatsen, te absorberen of uit te stralen. Decennia lang hebben natuurkundigen ernaar gezocht door te wachten op een kleine, plotselinge schok in hun detectoren, een signaal dat een spookachtig deeltje tegen een zwaar kern heeft gestoten. Onlangs rapporteerde het LZ-team één intrigerend evenement. Het was een nucleaire terugslag, een trap tegen een atoom, met een specifieke energie van 248 kiloelektronvolt. Hoewel deze enkele flits een toevalstreffer of achtergrondruis zou kunnen zijn, bevindt het zich op een hoog energieniveau dat standaardtheorieën over donkere materie moeilijk kunnen verklaren. Het is een puzzelstukje dat niet helemaal past bij het plaatje dat de meeste wetenschappers tot nu toe hebben geschetst.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe manier voorgesteld om dat stukje te laten passen. Ze suggereren dat het deeltje donkere materie dat verantwoordelijk is voor deze trap niet een eenvoudig, statisch object is, maar eerder een tweezichtige entiteit met een verborgen interne structuur. Stel je een deeltje voor dat in twee toestanden bestaat: een rustige, laagenergetische grondtoestand en een iets zwaardere, aangeslagen toestand, gescheiden door een kleine maar cruciale energiekloof. In dit scenario moet de donkere materie, om tegen een atoom in de detector te botsen, eerst energie absorberen om naar die zwaardere toestand te springen. Dit proces, bekend als endotherme verstrooiing, werkt als een hogesnelheidsfilter. Dit betekent dat alleen de snelste, meest energetische deeltjes donkere materie in ons sterrenstelsel genoeg snelheid hebben om de energiekosten van de sprong te betalen. Langzamere deeltjes passeren simpelweg zonder te interageren. Dit mechanisme verklaart op natuurlijke wijze waarom de detector een hoogenergetisch evenement zag terwijl de duizenden langzamere, meer voorkomende deeltjes die er elke seconde doorheen zouden moeten gaan, werden genegeerd.

De onderzoekers bouwden een gedetailleerd model rond dit idee, waarbij ze de donkere materie koppelden aan een nieuwe, onzichtbare krachtdrager genaamd een donker foton. Dit deeltje fungeert als een boodschapper tussen de donkere wereld en de onze, waardoor de donkere materie kan interageren met de xenonatomen. Door uitgebreide computersimulaties uit te voeren die de regels van de deeltjesfysica combineerden met de geobserveerde geschiedenis van het universum, testte het team of deze specifieke opstelling de enkele LZ-gebeurtenis kon verklaren en tegelijkertijd overeenkwam met de totale hoeveelheid donkere materie waarvan we weten dat deze in het kosmos bestaat. Ze vonden een smal, precies gebied waar alles op één lijn ligt. In dit scenario zijn de deeltjes donkere materie zwaar, met een gewicht op de schaal van enkele duizenden protonen, en de energiekloof tussen hun twee toestanden is enkele honderden kiloelektronvolt. Het boodschapperdeeltje, het donkere foton, is relatief licht en bestaat op de schaal van enkele miljard elektronvolt.

De pasvorm is opmerkelijk nauw. Het model voorspelt dat de deeltjes donkere materie die verantwoordelijk zijn voor het evenement, moeten bewegen met snelheden nabij de absolute bovengrens van wat mogelijk is voor deeltjes in de halo van ons sterstelstel. Omdat de energiekloof zo groot is, kunnen slechts de snelste paar procenten van de populatie donkere materie de detector activeren. Deze vereiste dwingt het model in een specifieke hoek van de mogelijkheden. De onderzoekers berekenden dat, als dit model correct is, het enkele evenement dat LZ zag precies is wat we zouden verwachten te zien, met de juiste energie en de juiste frequentie. Bovendien dicteert dezelfde fysica die de hooggesnelde botsing mogelijk maakt, ook hoeveel donkere materie er in het vroege universum werd gecreëerd, en het model produceert op natuurlijke wijze de juiste hoeveelheid om overeen te komen met de kosmische inventaris.

Echter, deze elegante oplossing gaat gepaard met een aanzienlijke kanttekening die de onderzoekers zorgvuldig benadrukken. Omdat de energiekloof tussen de twee toestanden klein is, is deze te klein om het aangeslagen deeltje donkere materie te laten vervallen in een elektron en een positron, wat veelvoorkomende deeltjes zijn. Dit blokkeert de snelste manier voor de aangeslagen toestand om te verdwijnen. In plaats daarvan wordt het aangeslagen deeltje gedwongen veel langzamer te vervallen, wat potentieel miljarden jaren kan duren. Als een aanzienlijk aantal van deze aangeslagen deeltjes sinds de geboorte van het universum tot vandaag de dag zou hebben overleefd, zou hun uiteindelijke verval energie in het heelal injecteren op een manier die in strijd is met wat we zien in de kosmische achtergrondstraling. De onderzoekers merken op dat dit een potentieel probleem is voor de eenvoudigste versie van hun model. Ze suggereren dat een kleine toevoeging aan de theorie, een specifiek type interactie dat het de aangeslagen toestand mogelijk maakt om snel in drie fotonen te vervallen, dit probleem kan oplossen zonder de verklaring voor de LZ-gebeurtenis te verstoren.

De schoonheid van dit voorstel is dat het een mysterie verandert in een toetsbare hypothese. In tegenstelling tot veel theorieën over donkere materie die steunen op onzichtbare krachten die we niet gemakkelijk kunnen controleren, houdt dit model een licht donker foton in dat op een manier met onze wereld interageert die toekomstige experimenten kunnen waarnemen. De specifieke massa en interactiekracht die nodig zijn om de LZ-gebeurtenis te verklaren, vallen binnen een bereik dat toekomstige experimenten bij deeltjesversnellers, zoals die bij Belle II en LHCb, ontworpen zijn om te onderzoeken. Als het donkere foton bestaat met de eigenschappen die dit model voorspelt, zouden deze machines in staat moeten zijn om het te creëren en het verval ervan te observeren. De enkele flits van licht gezien in de diepe ondergrondse tank is niet langer slechts een statistische anomalie; het is een potentiële baken die wijst naar een specifieke, toetsbare structuur van de donkere sector. De onderzoekers hebben niet bewezen dat dit het antwoord is, maar ze hebben aangetoond dat het een levensvatbaar pad voorwaarts is, een pad dat een enkele, vreemde gebeurtenis verbindt met de grootschalige geschiedenis van het universum en een duidelijke routekaart biedt voor het vinden van de waarheid.