A DM candidate indicated at Fermi-LAT and LZ ? Connection with LHC and LC prospects

Decennialang hebben natuurkundigen een spook gejaagd dat het grootste deel van de materie in het universum vormt, maar weigert zichzelf te onthullen. Deze onzichtbare substantie, bekend als donkere materie, zendt geen licht uit en interageert ook niet met de gewone atomen die onze wereld opbouwen, maar de zwaartekracht ervan houdt sterrenstelsels bij elkaar. Om het te vinden, kijken wetenschappers op twee manieren: ze wachten tot deeltjes van donkere materie botsen met detectoren diep onder de grond, of ze zoeken naar de zwakke gloed van hoogenergetisch licht dat ontstaat wanneer deze deeltjes botsen en elkaar vernietigen in de ruimte. De vraag die de nieuwste onderzoeken drijft is simpel maar diepgaand: als we eindelijk een kandidaat vinden voor deze ontbrekende massa, wat voor soort deeltje is het dan, en hoe gedraagt het zich?

Een nieuwe analyse brengt twee schijnbaar ongerelateerde ontdekkingen samen om een gedurfd antwoord voor te stellen. Onderzoekers van de Fermi-LAT ruimtetelescoop hebben een onverwachte overvloed aan energetische fotonen, of lichtdeeltjes, waargenomen die gecentreerd zijn rond 20 GeV in de halo van ons sterrenstelsel. Tegelijkertijd heeft de LUX-ZEPLIN detector, een enorme tank met vloeibaar xenon begraven diep onder de grond, een enkel evenement geregistreerd dat lijkt op een deeltje van donkere materie dat een xenonatoom raakt. Dit evenement is significant omdat de overgedragen energie zo groot is dat het bijna onmogelijk is om het voor achtergrondruis aan te zien. Wanneer gecombineerd, wijzen deze twee signalen op een deeltje van donkere materie met een massa van enkele honderden GeV. Er blijft echter een puzzel bestaan: als dit deeltje bestaat, waarom zien we dan niet hetzelfde signaal in dwergstelsels, die rijk zijn aan donkere materie maar het signaal dat we in ons eigen sterrenstelsel zien missen?

De auteurs van deze studie suggereren dat de oplossing ligt in de snelheid van de deeltjes en de aard van de kracht die zij gebruiken om te interageren. In ons sterrenstelsel bewegen deeltjes van donkere materie veel sneller dan ze doen in de rustige, langzaam bewegende dwergstelsels. De onderzoekers stellen voor dat deze deeltjes niet direct botsen, maar in plaats daarvan interageren via een zwaar, kortlevend deeltje met een spin van twee, bekend als een Kaluza-Klein graviton. Dit specifieke type interactie is sterk afhankelijk van snelheid; omdat de deeltjes in dwergstelsels zo traag bewegen, neemt de kans dat zij botsen en licht produceren drastisch af, wat verklaart waarom die verre sterrenstelsels stil lijken te zijn. Dit mechanisme staat in scherp contrast met oudere theorieën die suggereerden dat donkere materie een type deeltje was genaamd een Higgsino, dat anders zou interageren en een veel zwaardere massa zou voorspellen die niet past bij de huidige gegevens.

Steun voor dit idee komt van de Large Hadron Collider, waar wetenschappers zoeken naar tekenen van extra dimensies. De gegevens van deze botsingen geven hints naar een "toren" van deze zware graviton-deeltjes, met massa's die verschijnen op specifieke intervallen, zoals rond 380 GeV, 700 GeV en 1 TeV. Een van deze resonanties zou precies het deeltje kunnen zijn dat ervoor zorgt dat donkere materie in ons sterrenstelsel kan annihileren. Als deze interpretatie correct is, verandert het de regels van het spel. Het suggereert dat de donkere materie waar we naar zoeken niet de zware Higgsino is die vaak wordt voorspeld door standaardtheorieën, maar eerder een lichter deeltje, misschien rond 190 GeV, dat koppelt aan deze graviton-resonanties.

De implicaties voor toekomstige experimenten zijn aanzienlijk. Als deze graviton-resonanties bestaan en interageren met elektronen, zou een toekomstige elektron-positron-versneller als een fabriek kunnen dienen om ze in overvloed te produceren. De onderzoekers berekenen dat een dergelijke machine duizenden van deze deeltjes zou kunnen genereren, waardoor wetenschappers hun eigenschappen in detail kunnen bestuderen en kunnen bevestigen of zij inderdaad de sleutel tot donkere materie zijn. Hoewel het huidige bewijs nog in opbouw is, met de Fermi-LAT data die een lichte bult in het fotenspectrum laat zien en de LHC die hints van deze resonanties ziet, biedt de convergentie van signalen uit de ruimte, onder de grond en de deeltjesversnellers een samenhangend beeld. Indien bevestigd, zou dit niet alleen de deeltjes van donkere materie identificeren, maar ook het eerste concrete bewijs leveren voor extra dimensies en een nieuwe laag van de werkelijkheid die ten grondslag ligt aan ons universum.