On the importance of cosmic-ray background in the Atomki anomaly

In de subatomaire wereld botsen deeltjes voortdurend, vallen uit elkaar en assembleren ze op manieren die de fundamentele regels van de natuur onthullen. Soms produceren deze botsingen onverwachte resultaten: een kleine bult in een grafiek waar de fysica een vloeiende lijn voorspelt. Dergelijke anomalieën kunnen de eerste fluistering zijn van een nieuwe kracht of een voorheen onbekend deeltje, een ontdekking die de tekstboeken zou herschrijven. Al enkele jaren rapporteert een team van natuurkundigen aan het Atomki-instituut in Hongarije precies dit soort bult. Ze observeerden paren elektronen en positronen (het antimaterie-tweelingbroertje van het elektron) die na een kernreactie onder een specifieke hoek uiteenvliegen, wat wijst op het kortstondige bestaan van een nieuw, licht deeltje dat zij X17 noemden. Deze claim heeft een intense discussie ontketend, aangezien onafhankelijke experimenten moeite hebben gehad om het te bevestigen, waardoor de wetenschappelijke gemeenschap zich in een staat van voorzichtige nieuwsgierigheid bevindt. De vraag blijft: is dit een inkijkje in nieuwe fysica, of is het een trucje van de experimentele opstelling?

Een nieuwe studie door onderzoekers uit Italië en Zwitserland suggereert dat het antwoord mogelijk niet ligt in nieuwe deeltjes, maar in de hemel boven ons. Het team gebruikte krachtige computersimulaties om de exacte geometrie van de Hongaarse experimenten te recreëren, waarbij ze zich concentreerden op een achtergrondruis die vaak over het hoofd wordt gezien: kosmische straling. Dit zijn hoogenergetische deeltjes, voornamelijk protonen en atoomkernen, die vanuit de diepe ruimte op de aarde neerdalen. Wanneer ze de atmosfeer raken, creëren ze stromen van secundaire deeltjes, waaronder muonen, die diep ondergronds kunnen doordringen en dwars door detectoren kunnen gaan. De onderzoekers wilden zien of deze passerende muonen per ongeluk het signaal van een nieuw deeltje zouden kunnen nabootsen, waardoor een vals alarm ontstaat dat exact lijkt op dat gerapporteerde door Atomki.

Om dit te doen, bouwde het team een gedetaillele digitale tweeling van de Hongaarse detectoren met behulp van een softwarepakket genaamd Geant4, dat is ontworpen om te volgen hoe deeltjes door materie bewegen. Ze modelleerden twee verschillende versies van de Atomki-apparatuur: een vijfarmige opstelling die in 2016 werd gebruikt en een zesarmige versie die later werd gebruikt. Deze machines bestaan uit telescopen die in een cirkel rond een doelwit zijn geplaatst, ontworpen om paren deeltjes op te vangen die in tegenovergestelde richtingen wegvliegen. De onderzoekers simuleerden vervolgens miljoenen kosmische muonen die op deze virtuele detectoren neerdaalden, waarbij ze nauwkeurig bijhielden waar ze raakten en hoeveel energie ze afzetten. Ze zochten naar een specifiek patroon: twee armen van de detector die op hetzelfde moment afgaan, met de deeltjes die uiteenvliegen onder een hoek van ongeveer 140 graden, wat de handtekening is van het vermeende nieuwe deeltje.

De resultaten waren opmerkelijk. In de simulaties creëerden passerende kosmische muonen in de detectoren van nature een opeenhoping van gebeurtenissen bij die exacte hoek van 140 graden. Dit gebeurde door de specifieke manier waarop de detectorarmen waren gerangschikt. Wanneer een muon door twee niet-aangrenzende armen van de zesarmige detector passeerde, werkten de geometrie van de opstelling en de manier waarop de energie tussen de detectoren werd verdeeld samen om de openingshoek op ongeveer 140 graden te laten lijken. Dit effect was het sterkst wanneer de totale energie van de twee hits binnen het specifieke bereik viel waar het nieuwe deeltje werd verwacht. De simulatie toonde aan dat deze kosmische gebeurtenissen ook de neiging hadden om een evenwichtige energieverdeling tussen de twee armen te hebben, een ander kenmerk van het gerapporteerde signaal. Wanneer de onderzoekers naar de vijfarmige detector keken, vonden ze een vergelijkbaar effect, waarbij kosmische muonen een aanzienlijk overschot aan gebeurtenissen creëerden bij dezelfde hoek en energie.

De studie ging een stap verder om te zien hoe deze achtergrond zich verhoudt tot het werkelijke signaal dat het Hongaarse team probeerde te meten. Ze berekenden de verwachte snelheid van de werkelijke kernreactie en vergeleken dit met de snelheid van de kosmische muon-hits, waarbij ze de getallen aanpasten om overeen te komen met de typische bedrijfsomstandigheden van het Hongaarse experiment. Ze ontdekten dat in het kritieke energieregel waar de anomalie werd gerapporteerd, het aantal kosmische muon-gebeurtenissen feitelijk groter was dan het aantal werkelijke kernreacties. Sterker nog, de kosmische achtergrond was verantwoordelijk voor meer dan de helft van alle gebeurtenissen in dat specifieke gebied. Dit betekent dat als de methode die gebruikt wordt om de kosmische achtergrond af te trekken zelfs maar een klein beetje afwijkt, het gemakkelijk een "geestsignaal" kan achterlaten dat lijkt op een nieuw deeltje. De onderzoekers merkten op dat het Hongaarse team vertrouwt op het verzamelen van gegevens wanneer de deeltjesbundel uit staat om deze achtergrond in te schatten, maar hun simulaties suggereren dat kleine fouten in dit aftrekproces precies de bult kunnen creëren die als nieuwe fysica werd geïnterpreteerd.

Het artikel beweert niet het bestaan van het nieuwe deeltje te hebben weerlegd, noch zegt het dat het Hongaarse team een fout heeft gemaakt. In plaats daarvan benadrukt het een kritieke kwetsbaarheid in dit type meting. De studie laat zien dat de specifieke rangschikking van de detectorarmen, gecombineerd met de constante regen van kosmische straling, een natuurlijk patroon creëert dat perfect overlapt met het signaal van belang. De onderzoekers betogen dat de kenmerken van de gerapporteerde anomalie — de specifieke hoek, het energiereik en hoe het verandert wanneer de energie iets anders is — allemaal zaken zijn die kosmische muonen op zichzelf kunnen reproduceren. Dit suggereert dat de oorsprong van de anomalie een subtiel samenspel kan zijn tussen de geometrie van de detector en de kosmische achtergrond, in plaats van een nieuw fundamenteel deeltje.

Uiteindelijk dient het werk als een oproep tot grotere precisie in de manier waarop deze experimenten met achtergrondruis omgaan. De auteurs suggereren dat toekomstige zoektochten naar dergelijke anomalieën nog strikter moeten zijn in het onderscheiden tussen echte signalen en kosmische bedriegers. Ze bevelen het gebruik van actieve schilden aan om kosmische straling te blokkeren en het verzamelen van veel meer gegevens wanneer de bundel uit staat om de achtergrond met een hogere zekerheid te begrijpen. Hoewel de vraag over het X17-deeltje open blijft, biedt deze studie een overtuigende alternatieve verklaring: dat de constante regendouche van kosmische straling uit het universum, die onopgemerkt door de detector passeert, degene kan zijn geweest die de illusie de hele tijd creëerde.