Heavy Higgsino Interpretation of the LZ Event

Het universum is gevuld met onzichtbare materie die we niet kunnen zien, aanraken of ruiken, maar waarvan de zwaartekracht sterrenstelsels bij elkaar houdt. Wetenschappers noemen dit donkere materie, en hoewel we weten dat het bestaat, hebben we nog nooit een enkel deeltje ervan direct gevangen. Decennialang was de leidende theorie dat deze donkere materie bestaat uit zware, traag bewegende deeltjes die af en toe botsen met normale atomen, wat kleine flitsen van licht of warmte veroorzaakt. Om deze ongrijpbare botsingen te vinden, hebben onderzoekers enorme detectoren diep onder de grond gebouwd, afgeschermd van kosmische straling en andere achtergrondruis. Een van de meest gevoelige hiervan is het LUX-ZEPLIN-experiment, gevestigd in een voormalige goudmijn in South Dakota, dat een tank met vloeibaar xenon gebruikt om te wachten op de kleinste tekenen van een donkere materie-deeltje dat een xenonkern raakt.

Onlangs rapporteerde deze detector een enkele, intrigerende gebeurtenis: een kern week uit met een energie van ongeveer 248 kilo-elektronvolt. Dit is een specifieke hoeveelheid energie, en in de stille omgeving van de detector viel het op. De vraag die de wetenschappelijke gemeenschap bezighoudt, is wat deze piek heeft veroorzaakt. Eén opwindende mogelijkheid is dat het een botsing was met een specif kind type theoretisch deeltje genaamd een higgsino. Higgsinos worden voorspeld door een populaire uitbreiding van het standaardmodel van de deeltjesfysica en worden verwacht te interageren met normale materie via een krachtdrager genaamd het Z-boson. Als deze deeltjes bestaan, zouden ze een duidelijke handtekening achterlaten, maar de details van hun massa en hoe ze interageren, blijven een mysterie.

Een onderzoeker aan het Massachusetts Institute of Technology heeft een frisse blik geworpen op deze enkele gebeurtenis om te zien of deze past bij het profiel van een zware higgsino. Hun analyse suggereert dat als deze gebeurtenis inderdaad werd veroorzaakt door een higgsino, het niet het soort deeltje is dat op de standaard manier werd geproduceerd toen het universum afkoelde na de oerknal. In plaats daarvan wijzen de gegevens op een deeltje dat vele malen zwaarder is dan voorheen mogelijk werd geacht voor dit type donkere materie, met een gewicht tussen de 105.000 en 1.060.000 keer de massa van een proton. Deze bevinding lost een conflict op tussen de enkele gebeurtenis van de detector en andere waarnemingen, maar het vereist het herschrijven van het verhaal over hoe het vroege universum evolueerde.

De onderzoeker begon door de meest rechtstreekse gedachte te testen: dat de gebeurtenis kwam van een higgsino met een massa van ongeveer 1.100 keer die van een proton, een waarde die van nature zou ontstaan als deze deeltjes via het standaard thermische proces in het vroege universum werden gecreëerd. Zij stelden vast dat deze specifieke massa een probleem oplevert. Een deeltje met dit gewicht zou niet alleen de enkele gebeurtenis gezien bij 248 kilo-elektronvolt veroorzaken, maar er ook van verwacht worden om verschillende andere gebeurtenissen met veel hogere energieën te veroorzaken. De detector zag echter niets in dat hogere energiebereik. Bovendien zouden deeltjes met deze massa gevangen worden door de zwaartekracht van de zon, naar de kern zouden zakken en zouden annihileren om hoogenergetische neutrino's te produceren. Waarnemingen van de IceCube-detector in Antarctica hebben dit scenario al uitgesloten, omdat zij niet de verwachte vloed aan neutrino's uit de zon hebben gezien.

Om dit puzzelstuk op te lossen, voerde de onderzoeker een gedetailleerde statistische fit uit, waarbij de massa van de higgsino en het energiegat tussen de verschillende toestanden aanpaste om te zien welke combinatie de enkele gebeurtenis zou verklaren terwijl het hogere energiebereik leeg zou laten. Zij ontdekten dat de gegevens het best worden verklaard als de higgsino extreem zwaar is, met een massa tussen de 105.000 en 1.060.000 keer de massa van een proton. In dit scenario is het deeltje zo massief dat het zeer traag beweegt ten opzichte van de xenonkernen in de detector. Deze traagheid betekent dat het slechts een specifieke, beperkte hoeveelheid energie kan overdragen, waardoor de bump van 248 kilo-elektronvolt ontstaat zonder de hogere-energiegebeurtenissen te genereren die gezien zouden zijn als het deeltje lichter was.

Deze zware massa lost ook het probleem met de zon op. Omdat het deeltje zo zwaar is, wordt de kinetische energie die verloren gaat in een enkele botsing met atomen binnenin de zon verwaarloosbaar. Dit maakt het zeer zeldzaam voor de higgsino om genoeg energie te verliezen om gevangen te worden door de zwaartekracht van de zon. Bijgevolg accumuleren zij zich niet in grote aantallen, annihileren zij niet frequent en produceren zij niet de neutrino's die IceCube zou hebben gedetecteerd. Dit stelt de zware higgsino in staat te bestaan zonder de zonne-waarnemingen te tegenspreken. Deze oplossing brengt echter een nieuwe uitdaging met zich mee: als zulke zware deeltjes op de standaard manier zouden zijn gecreëerd toen het universum afkoelde, zouden er vandaag de dag veel te veel van zijn, wat de hoeveelheid donkere materie die we observeren ver overstijgt.

Om deze overvloed aan te pakken, stelt de auteur een modificatie voor aan de geschiedenis van het vroege universum. Zij suggereren dat het universum na de oerknal een periode doormaakte waarin een ander type energie domineerde, in plaats van de gebruikelijke straling. Tijdens deze tijd verviel een ander type deeltje en bracht een uitbarsting van warmte vrij, wat het aantal reeds gevormde higgsinos effectief verdunde. Dit proces zou hun aantallen reduceren tot het juiste niveau dat we vandaag de dag zien. De onderzoeker construeerde een eenvoudig model om te laten zien hoe dit zou kunnen gebeuren, waarbij de massa van de higgsino werd gekoppeld aan een mechanisme dat ook verklaart waarom de sterke kernkracht zich gedraagt zoals zij doet en waarom het universum een specifieke eigenschap heeft die de sterke CP-problematiek wordt genoemd.

De studie concludeert dat hoewel de enkele gebeurtenis bij de LZ-detector aanlokkelijk is, deze niet kan worden verklaard door de standaard, lichtere versie van de higgsino. De gegevens zijn alleen consistent met een veel zwaarder deeltje, mits het vroege universum een specifieke, niet-standaard evolutie heeft ondergaan om hun aantallen in toom te houden. De auteur merkt op dat hun model een bewijs van concept is, dat aantoont dat een dergelijk scenario fysiek mogelijk is, maar het rust op aannames over het vroege universum die nog niet bewezen zijn. Als toekomstige experimenten het bestaan van deze zware deeltjes bevestigen of bewijs vinden voor de door hen voorgestelde condities van het vroege universum, zou dit een nieuw hoofdstuk openen in ons begrip van het kosmos. Tot die tijd blijft de enkele gebeurtenis een mysterie, maar een die wijst naar een universum dat veel complexer en gevarieerder is dan voorheen werd vermoed.