Did LZ see modified gravity?

Diep onder de aarde, afgeschermd van de kosmische ruis aan het oppervlak, bevindt zich een enorme tank met vloeibaar xenon. Dit is het LUX-ZEPLIN-experiment, een apparaat dat ontworpen is om de zwakste fluistering van donkere materie op te vangen, de onzichtbare substantie die het grootste deel van de massa van het universum vormt. Jarenlang hebben wetenschappers gewacht tot een deeltje donkere materie tegen een xenonatoom botst, wat een minuscuul flitsje licht en een rimpeling van energie creëert. Onlangs rapporteerde het experiment een enkel, ongewoon evenement: een zware kern in de tank week terug met een energie van 248 keV. Deze energie is veel hoger dan wat de meeste standaardtheorieën over donkere materie voorspellen voor een enkele botsing, wat een puzzel creëert. Als dit evenement echt is en geen fout of een achtergrondglitch, suggereert het dat de onzichtbare materie om ons heen zich op manieren gedraagt die we ons nog niet hadden kunnen voorstellen, misschien door sterker of anders te interageren met gewone materie dan verwacht.

Een onderzoeker genaamd Basabendu Barman heeft een nieuwe manier voorgesteld om dit puzzelstuk op te lossen, een manier die het gedrag van deze onzichtbare deeltjes verbindt met de zeer eigen geschiedenis van hoe het universum uitdijde. Het standaardverhaal van het universum suggereert dat het na de oerknal op een voorspelbaar ritme afkoelde, waardoor donkere materie kon ontstaan en zich kon nestelen in de hoeveelheden die we vandaag de dag zien. Deze gedachte, geworteld in gemodificeerde zwaartekrachttheorieën, verandert de spelregels. Als het universum sneller uitdijde, zou het moeilijker voor donkere materiedeeltjes zijn om te interageren met de hete soep van andere deeltjes, wat zou betekenen dat ze een sterkere verbinding nodig hadden om überhaupt te kunnen ontstaan.

Het artikel onderzoekt een specifiek type donkere materie dat een "feeble interacting massive particle" wordt genoemd, of FIMP. In de gebruikelijke visie zijn deze deeltjes zo verlegen dat ze nauwelijks iets aanraken, waardoor ze bijna onmogelijk te detecteren zijn. Deze verlegenheid is een probleem bij het verklaren van het recente evenement in de xenontank, want als de deeltjes te verlegen zijn, zouden ze niet hard genoeg tegen de xenon moeten kunnen botsen om dat signaal van 248 keV te creëren. Barmans werk laat zien dat als het vroege universum sneller uitdijde dan wij denken, dit de deeltjes zou toestaan om een sterkere verbinding met gewone materie te hebben, terwijl ze toch zeldzaam genoeg blijven om overeen te komen met de totale hoeveelheid donkere materie die we vandaag de dag observeren. Deze sterkere verbinding is precies wat nodig is om de botsing in de xenontank mogelijk te maken.

Om dit idee te testen, bouwt de studie een model waarbij donkere materie bestaat uit twee soorten deeltjes die bijna identiek zijn in gewicht maar er net iets van verschillen, gescheiden door een kleine kloof van ongeveer 280 keV. Deze deeltjes interageren via een nieuwe, onzichtbare krachtdrager genaamd een donker foton. De onderzoeker berekende hoe vaak deze deeltjes tegen de xenonkernen zouden botsen onder verschillende omstandigheden. De resultaten laten zien dat als de expansiesnelheid van het universum werd verhoogd door een factor gerelateerd aan gemodificeerde zwaartekracht, de parameters die nodig zijn om het enkele evenement in de LUX-ZEPLIN-data te verklaren, perfect passen bij de hoeveelheid donkere materie die we in de hemel zien. De studie identificeert specifieke bereiken voor de massa van de donkere materie en de sterkte van de interactie die zowel de enkele botsing als de kosmische abundantie van donkere materie voldoen.

De analyse controleert deze ideeën ook tegen andere bekende feiten. De voorgestelde deeltjes mogen niet zijn gezien in andere experimenten, zoals die die zoeken naar nieuwe deeltjes bij de Large Hadron Collider of in beam-dump experimenten. De studie stelt vast dat hoewel sommige delen van de voorgestelde verklaring al zijn uitgesloten door bestaande gegevens, een aanzienlijk deel van de mogelijke instellingen open en ongetest blijft. Dit betekent dat de theorie nog steeds leeft en wacht op meer gegevens. De onderzoeker merkt op dat als toekomstige experimenten het donker foton kunnen detecteren, of als het LUX-ZEPLIN-experiment meer gegevens verzamelt, zij deze specifieke verklaring kunnen bevestigen of uitsluiten. Bovendien, als het vroege universum inderdaad zo snel heeft uitgezet, zou het een zwakke achtergrond van zwaartekrachtgolven kunnen hebben achtergelaten die toekomstige detectoren zouden kunnen vinden, wat een tweede manier biedt om dit verhaal te testen.

Uiteindelijk suggereert dit werk dat een enkel vreemd evenement in een diepe ondergrondse tank een aanwijzing kan zijn die wijst naar een fundamentele verandering in ons begrip van zwaartekracht en het vroege universum. Het bewijst niet dat gemodificeerde zwaartekracht echt is, noch bevestigt het dat het LUX-ZEPLIN-evenement definitief donkere materie is. In plaats daarvan demonstreert het dat als we aannemen dat het universum in zijn kindertijd anders uitdijde, het vreemde evenement een plausibel signaal is van een specifiek type donkere materie dat anders te zwak zou zijn om te detecteren. Het artikel biedt een samenhangend pad vooruit, waarbij het laat zien hoe een enkele anomalie ons ertoe kan drijven de geschiedenis van het kosmos en de aard van de onzichtbare materie die het bij elkaar houdt, opnieuw te overwegen.