Argon as the test of two interpretations of the LZ 248 keV recoil

Diep in de stilte van het universum drijft een mysterieuze substantie die donkere materie wordt genoemd, door alles heen, inclusief onze planeet. In tegenstelling tot gewone materie, waaruit sterren, planeten en mensen bestaan, zendt donkere materie geen licht uit of reageert het niet op elektriciteit, waardoor het onzichtbaar is voor telescopen en camera's. Wetenschappers geloven dat het zichzelf alleen openbaart via zwaartekracht, door zichtbare objecten aan te trekken. Om het te vinden, bouwen onderzoekers enorme detectoren diep onder de grond, om ze af te schermen van kosmische straling en andere ruis, in de hoop een zeldzame, minuscule botsing te vangen tussen een deeltje donkere materie en een atoomkern. Wanneer een dergelijke botsing plaatsvindt, zou het een zwakke flits van licht of een kleine hoeveelheid warmte moeten achterlaten, een signaal dat ons iets vertelt over de aard van deze onzichtbare stof. Onlangs registreerde een detector genaamd LZ, gevuld met vloeibaar xenon, een enkel, raadselachtig evenement: een kern die terugkaatste met een energie van 248 kilo-elektronvolt. Deze energie is hoog, maar het echte mysterie is dat er geen andere gebeurtenissen werden waargenomen bij lagere energieën, wat een gat in de gegevens creëert dat de standaardverwachtingen tart.

Dit ongebruikelijke signaal heeft twee zeer verschillende verhalen ontketend over wat er aan de hand zou kunnen zijn. Eén verhaal suggereert dat het deeltje donkere materie als een zware bal is die geraakt wordt door de snelst bewegende deeltjes in de melkweg, waarbij het energie wint en van een atoomkern afketst. Dit wordt een endotherm proces genoemd, waarbij het deeltje een impuls nodig heeft om te bewegen. Het andere verhaal stelt voor dat het deeltje donkere materie als een zware bal is die al snel beweegt en naar een lagere energietoestand valt, waarbij het een energiepuls vrijgeeft die de atoomkern raakt. Dit wordt een exotherm proces genoemd. Het verschil tussen deze twee ideeën is niet slechts een kwestie van theorie; het leidt tot volkomen tegenovergestelde voorspellingen voor wat er zou moeten gebeuren in een detector gevuld met een ander element, argon. Als het eerste verhaal waar is, zou argon niets zien. Als het tweede verhaal waar is, zou argon een duidelijk, helder signaal moeten zien.

Een nieuwe analyse door natuurkundigen H. Baer en V. Barger gebruikt de wetten van de beweging en de specifieke eigenschappen van atomen om aan te tonen dat het antwoord in de argongegevens ligt die wetenschappers al hebben verzameld. De onderzoekers leggen uit dat als het deeltje donkere materie naar een lagere energietoestand valt, het een vaste hoeveelheid energie vrijgeeft. Wanneer dit gebeurt in xenon, creëert het een terugslag van 248 keV. Echter, omdat argonatomen lichter zijn dan xenonatomen, zou dezelfde energievrijgave een argonkern harder duwen, wat een terugslag creëert van rond de 336 keV voor een typische massa van donkere materie. Cruciaal is dat dit proces niet vereist dat de donkere materie met een specifieke minimale snelheid beweegt; elk deeltje in de melkweg zou dit kunnen doen. Dit betekent dat als deze interpretatie correct is, een argon-detector een duidelijke lijn van gebeurtenissen zou zien bij deze hogere energie, die ongeveer tien keer zo vaak voorkomt als het enkele evenement dat in xenon werd gezien.

In contrast hiermee, als het deeltje donkere materie energie moet absorberen om te verstrooien, vereist het een minimale snelheid om te kunnen werken. De analyse laat zien dat de snelheid die nodig is om het signaal van 248 keV in xenon te creëren, zo hoog is dat het al op de absolute grens ligt van wat de melkweg toestaat. Wanneer dezelfde berekening op argon wordt toegepast, wordt de vereiste snelheid nog hoger, boven de maximale snelheid die een deeltje in onze melkweg mogelijk kan hebben. Daarom, als dit "energie-absorberende" verhaal waar zou zijn, zou een argon-detector absoluut geen gebeurtenissen zien. De twee mogelijkheden zijn wederzijds uitsluitend: ofwel argon vertoont een sterk signaal, ofwel het vertoont niets. Er is geen middenweg.

De schoonheid van deze test is dat het niet afhankelijk is van complexe theorieën over waar de donkere materie van gemaakt is of hoe het met andere krachten interageert. Het rust enkel op de basisfysica van hoe twee objecten botsen en de bekende snelheden van deeltjes in onze nabijheid van de zon. De onderzoekers wijzen erop dat de gegevens die nodig zijn om deze vraag te beslechten, al op computerdisks aanwezig zijn. Het DEAP-3600-experiment, gelegen diep onder de grond in een mijn in Canada, draait al enkele jaren met vloeibaar argon. Het heeft voldoende blootstelling geregistreerd om tussen de zes en vijfentwintig gebeurtenissen te verwachten als het "energie-vrijgevende" verhaal correct is, afhankelijk van hoeveel van de detector wordt gebruikt voor de zoektocht. Als het "energie-absorberende" verhaal correct is, zouden de gegevens nul gebeurtenissen moeten laten zien in dat specifieke energiebereik.

De achtergrondruis in de argon-detector is goed begrepen en beheersbaar. Hoewel er natuurlijke bronnen van straling zijn die deze signalen kunnen nabootsen, schatten de onderzoekers dat het aantal valse alarmen zeer laag is, waarschijnlijk minder dan één gebeurtenis in het relevante energiebereik. Dit betekent dat als de argon-gegevens een cluster van gebeurtenissen rond 336 keV laten zien, dit een duidelijk teken zou zijn van het energie-vrijgevende proces. Bovendien zou het vinden van deze lijn meer doen dan alleen het bevestigen van het type gebeurtenis; het zou wetenschappers in staat stellen om de massa van het deeltje donkere materie met hoge precisie te berekenen door de exacte energie van de lijn in argon te vergelijken met de energie die in xenon wordt gezien. Als de gegevens geen dergelijke lijn laten zien, zou de energie-vrijgevende verklaring voor het oorspronkelijke xenon-evenement worden uitgesloten, waardoor wetenschappers gedwongen worden de oorzaak van die enkele, eenzame flits van licht opnieuw te overwegen.

De beslissing hangt af van een heranalyse van bestaande gegevens, niet van het bouwen van nieuwe machines. Het DEAP-3600-team heeft de benodigde gegevens al verzameld, en een frisse blik op deze records kan binnen het huidige begrip van de natuurkunde een definitief antwoord bieden. Als de argon-lijn verschijnt, zou het bevestigen dat donkere materie een interne structuur heeft die energie kan vrijgeven, een ontdekking die ons begrip van de verborgen massa van het universum zou hervormen. Als deze niet verschijnt, zou het de deur naar die specifieke verklaring voor het xenon-evenement sluiten, waardoor het mysterie van die enkele terugslag onopgelost blijft. Het antwoord is er al, wachtend om gelezen te worden, waarbij een theoretisch debat wordt omgezet in een kwestie van eenvoudige observatie.