A closer look at the LZ 248 keV event through the lens of cosmic-ray boosted dark matter

Diep onder het aardoppervlak, in een tank met vloeibaar xenon die kouder is dan de ruimte, luisteren wetenschappers naar de zwakst mogelijke fluistering van de meest ongrijpbare bewoners van het universum: donkere materie. Decennialang suggereerde de leidende theorie dat donkere materie bestaat uit zware, langzaam bewegende deeltjes die af en toe tegen atoomkernen botsen, waarbij een minuscuul lichtflitsje achterlaten. Echter, het LUX-ZEPLIN-experiment, gelegen in een voormalige goudmijn in South Dakota, detecteerde onlangs een enkele, verwarrende gebeurtenis. Een kern in de detector week terug met een energie van 248 kiloelektronvolt, een waarde die veel hoger is dan wat standaardmodellen voor donkere materie gewoonlijk voorspellen. Deze enkele flits, die plaatsvond in een gebied waar de achtergrondruis minimaal zou moeten zijn, heeft een nieuwe onderzoeksvraag opgeroepen. Zou dit een teken kunnen zijn van een ander soort donkere materie, een die een enorme snelheidsboost heeft gekregen door een botsing met hoogenergetische kosmische straling?

Om deze mogelijkheid te begrijpen, moet men eerst de onzichtbare zee van donkere materie voorstellen die onze melkweg omringt. In het standaardbeeld drijven deze deeltjes langzaam, als stofdeeltjes in een zonnestraal. Maar het universum is ook gevuld met kosmische straling, bestaande uit protonen en andere atoomkernen die met bijna de snelheid van het licht reizen. Als een langzaam bewegend deeltje donkere materie toevallig botst met een van deze razendsnelle kosmische stralen, kan het naar voren worden gekatapulteerd, waardoor het een enorme snelheid en energie wint. Dit creëert een populatie van "gebooste" donkere materie die veel sneller beweegt dan hun gewone tegenhangers. Wanneer deze snel bewegende deeltjes uiteindelijk een detector diep onder de grond raken, kunnen ze veel meer energie overdragen aan een atoom dan een traag deeltje ooit zou kunnen, wat de ongebruikelijk hoogenergetische flits verklaart die door het LUX-ZEPLIN-team werd waargenomen.

Een team van natuurkundigen heeft nu een nadere blik geworpen op deze specifieke 248 keV-gebeurtenis om te zien of dit scenario van "door kosmische straling geboostte" donkere materie standhoudt onder strikte controle. Zij richtten hun onderzoek op een specif kind van interactie waarbij het deeltje donkere materie interageert met de spin van de atoomkern, in plaats van alleen met de massa. Met behulp van geavanceerde computermodellen die rekening houden met het feit dat deze geboostte deeltjes met relativistische snelheden bewegen, simuleerden de onderzoekers hoe dergelijke deeltjes door kosmische straling worden gecreëerd, hoe ze door de aarde reizen en hoe ze uiteindelijk botsen met de xenonatomen in de detector. Hun doel was om te bepalen of dit mechanisme precies één gebeurtenis bij die hoge energie kon produceren zonder ook een vloedgolf aan laagenergetische gebeurtenissen te creëren die het experiment al had moeten zien.

De onderzoekers ontdekten dat de spin-afhankelijke interactie een veelbelovende verklaring biedt voor de vorm van het energiespectrum. In tegen tegenstelling tot andere modellen die een constante stroom van laagenergetische hits zouden voorspellen, concentreert deze specifieke interactie de gebeurtenissen van nature rond de geobserveerde hoge energie, waardoor de lager energetische regio's leeg blijven, precies zoals de data laten zien. Echter, toen zij probeerden de gebeurtenis te verklaren met een eenvoudige, directe contactinteractie tussen de donkere materie en de kern, stortte de wiskunde in. De kracht die vereist was om de geobserveerde gebeurtenis te produceren, was zo intens dat het een energieschaal impliceerde die veel te laag was voor de standaard wiskundige instrumenten in de deeltjesfysica om geldig te blijven. Het was alsof de theorie vereiste dat de deeltjes op een manier zouden interageren die het huidige kader simpelweg niet kan beschrijven zonder uiteen te vallen.

Om deze inconsistentie op te lossen, stelde het team voor dat de interactie geen direct contact is, maar wordt bemiddeld door een nieuw, zwaar deeltje dat fungeert als een boodschapper. Specifiek ontdekten zij dat een hypothetisch deeltje met een massa van ongeveer 300 MeV de kloof zou kunnen overbruggen. Dit boodschapperdeeltje zou de donkere materie in staat stellen om energie over te dragen aan de kern op een manier die perfect past bij de geobserveerde data, waarbij de enkele hoogenergetische gebeurtenis wordt geproduceerd terwijl de productie van ongewenste laagenergetische signalen wordt vermeden. Deze oplossing berust op het feit dat de donkere materie interageert via een specifiek type krachtdrager die nog niet is ontdekt, maar die wel voldoet aan de wiskundige vereisten van de observatie.

De studie concludeert dat hoewel het idee van door kosmische straling geboostte donkere materie die interageert via een spin-afhankelijke kracht een sterke kandidaat is voor het verklaren van de LUX-ZEPLIN-gebeurtenis, de eenvoudigste versie van deze theorie onvoldoende is. De data wijzen naar een complexer scenario waarbij een nieuwe, sub-GeV bemiddelaar betrokken is. De onderzoekers benadrukken dat hun bevindingen gebaseerd zijn op simulaties en theoretische modellering en niet op een directe detectie van dit nieuwe deeltje. Zij merken op dat toekomstig werk nodig zal zijn om te verfijnen hoe deze deeltjes energie verliezen terwijl ze door de aarde reizen en om deze ideeën te toetsen aan andere experimentele limieten. Als de 248 keV-gebeurtenis door toekomstige data wordt bevestigd, zou dit specifieke type geboostte donkere materie, bemiddeld door een zwaar deeltje, een cruciale aanwijzing kunnen zijn voor de ware aard van de donkere materie die het grootste deel van de massa van ons universum vormt.