Caught by its own light: Wimpzillas, the LHAASO knee and the diffuse $\gamma$-ray sky

Hoog boven de aarde wordt de hemel constant gebombardeerd door onzichtbare deeltjes die met bijna de snelheid van het licht reizen. Dit zijn kosmische stralen, voornamelijk protonen en atoomkernen, die afkomstig zijn van gewelddadige gebeurtenissen in ons sterrenstelsel, zoals exploderende sterren. Decennialang hebben wetenschappers hun energieën in kaart gebracht, op zoek naar patronen die onthullen waar ze vandaan komen en hoe ze worden versneld. Onlangs heeft een enorm observatorium in China, genaamd LHAASO, de meest gedetailleerde kaart tot nu toe gemaakt van deze deeltjes bij extreem hoge energieën, waarbij een vreemde "knie" in de data werd onthuld waar het aantal deeltjes plotseling afneemt. Deze eigenschap heeft een intense discussie ontketend: is het een teken van een nieuw type kosmische versneller, of zou het de zwakke echo kunnen zijn van een mysterieus, zwaar deeltje dat sinds de geboorte van het universum bestaat?

Een team van onderzoekers ging aan de slag om een specifieke, exotische idee te testen: dat deze knie in het spectrum van de kosmische straling wordt veroorzaakt door het verval van "wimpzilla's". Dit zijn hypothetische superzware donkere materie-deeltjes, veel massiever dan enig bekend deeltje, die tijdens de oerknal gevormd zouden kunnen zijn. Als een dergelijk deeltje bestaat en vandaag de dag langzaam vervalt, zou het uiteenvallen in een regen van kleinere deeltjes, waaronder protonen en fotonen (licht). De onderzoekers gebruikten de nauwkeurige gegevens van LHAASO om te zien of de aankomende protonen bij de aarde verklaard konden worden door dit verval. Ze ontdekten dat de wiskunde perfect werkte voor de protonen. Een donkere materie-deeltje met een massa van 50 miljoen miljard elektronvolt, dat vervalt in de halo van ons sterrenstelsel, zou exact de vorm van het protonenspectrum kunnen reproduceren, inclusen de verharding bij lagere energieën en de scherpe daling bij de knie. Sterker nog, de massa van dit deeltje was de enige variabele die nodig was om de theorie zo goed op de data te laten aansluiten.

Echter, het verhaal neemt een scherpe wending wanneer de onderzoekers naar de andere kant van dezelfde munt kijken. Wanneer een zwaar deeltje vervalt, produceert het niet alleen protonen; het produceert fotonen in een vaste, voorspelbare verhouding. Vanwege de natuurkunde van hoe deze deeltjes uiteenvallen, zou het verval ongeveer drie keer zoveel energie produceren in de vorm van licht als in de vorm van protonen. Het team berekende exact hoeveel gammastraling de hemel zou moeten overstromen als de verklaring met protonen waar zou zijn. Ze vergeleken deze voorspelling vervolgens met de werkelijke gamma-straalhemel die door LHAASO is gemeten. Het resultaat was een definitieve verwerping van het idee. Het voorspelde licht van de vervallende donkere materie was veel te fel en overschreed de geobserveerde achtergrond van gammastraling met een factor tien tot honderd, afhankelijk van hoe de achtergrond werd berekend.

De conclusie is duidelijk: hoewel het model van vervallende donkere materie prachtig past bij de protonendata, wordt het verworpen door de lichtdata. Het universum bevat simpelweg niet genoeg gammastraling om de aanwezigheid van deze vervallende deeltjes te ondersteunen op de niveaus die vereist zijn om de protonen te verklaren. De onderzoekers benadrukken dat dit niet een falen van het model om bij één set getallen te passen is, maar een fundamentele tegenstrijdigheid tussen twee verschillende soorten licht en materie die afkomstig zijn van dezelfde bron. De protonen en de fotonen zijn door de wetten van de fysica aan elkaar gekoppeld; je kunt de protonen niet hebben zonder de fotonen. Omdat de fotonen niet in de voorspelde hoeveelheden aanwezig zijn, kunnen de protonen dus ook niet van deze bron komen.

Deze studie onderstreept de kracht van het kijken naar het universum via meerdere kanalen. Een theorie die perfect lijkt bij het onderzoeken van één type deeltje, kan onmiddellijk instorten wanneer het bijbehorende licht wordt gecontroleerd. Het LHAASO-observatorium heeft een nauwkeurige meting van het protonenspectrum geleverd, waarmee een complexe structuur wordt bevestigd die astrofysische modellen moeilijk kunnen verklaren zonder fijnafstemming. Toch sluit dezelfde data, wanneer gecombineerd met de limieten van de gammastraling, de deur voor het idee dat het verval van superzware donkere materie de oorzaak is. De "knie" in het spectrum van de kosmische straling blijft een mysterie, wat waarschijnlijk wijst op complexe astrofysische processen binnen ons sterrenstelsel in plaats van een nieuwe vorm van donkere materie-fysica. De zoektocht gaat door, maar dit specifieke pad is geblokkeerd door het zeer licht dat de theorie beloofde te produceren.