Interpreting the LZ 248 keV Event using Dark QCD

Diep onder het aardoppervlak, in een tank met vloeibaar xenon die beschermd is tegen de chaos van de buitenwereld, luisteren wetenschappers naar een gefluister. Ze zoeken naar donkere materie, de onzichtbare substantie die het grootste deel van de massa in het universum vormt, maar op geen enkele manier met licht of gewone materie interageert die we gemakkelijk kunnen waarnemen. Decennialang hebben detectoren gewacht tot een deeltje donkere materie tegen een atoomkern botst, wat een klein flitsje licht of een zwak elektrisch signaal veroorzaakt. Onlangs rapporteerde het LUX-ZEPLIN-experiment, een enorme detector gelegen in een mijn in South Dakota, een enkel, verwarrend evenement. Het was een terugslag, een trap tegen een atoom, met een energie van ongeveer 248 duizend elektronvolt. Deze energie is ongewoon hoog voor het soort donkere materie dat de meeste natuurkundigen verwachten te vinden, die zich doorgaans langzaam beweegt en slechts een zachte tik geeft. Het evenement bewees niet dat donkere materie bestaat, aangezien het een toevalstreffer van achtergrondruis had kunnen zijn, maar de hoge energie ontketende een nieuwe denkrichting: misschien is het deeltje donkere materie geen eenvoudige, solide bal, maar iets complexers dat een specifieke, energetische duw vereist om zichzelf te onthullen.

In een nieuwe studie stellen onderzoekers Francesco Sannino en Jessica Turner een manier voor om deze hoogenergetische terugslag te verklaren met behulp van een model van donkere materie dat zich gedraagt als een samengesteld object, vergelijkbaar met hoe een proton is opgebouwd uit kleinere quarks. Ze suggereren dat het deeltje donkere materie een "donkere baryon" is, een zwaar deeltje gevormd door drie nog kleinere "donkere quarks" die aan elkaar gebonden zijn door een kracht die uniek is voor de donkere sector. In hun theorie is deze donkere baryon niet één enkele, onveranderlijke staat. In plaats daarvan bestaat hij in twee licht verschillende versies, zoals een munt die kop of munt kan zijn, met een klein energieverschil tussen hen. De zwaardere versie is een aangeslagen toestand, en de lichtere versie is de grondtoestand. Voor de donkere materie om te interageren met het xenon in de detector, moet zij een overgang ondergaan van de lichtere naar de zwaardere toestand. Dit proces is "endotherm", wat betekent dat het deeltje donkere materie energie moet absorberen om de sprong te maken. Omdat het deeltje de extra energie moet leveren om van toestand te veranderen, kan het niet met de detector interageren tenzij het zeer snel beweegt. Dit filtert van nature de langzaam bewegende deeltjes eruit die lage-energie-signalen zouden creëren, waardoor alleen de zeldzame, snelle deeltjes overblijven die in staat zijn tot de sterke terugslag die in de LUX-ZEPLIN-data werd waargenomen.

Om dit idee werkbaar te maken, hebben de onderzoekers een gedetailleerd theoretisch kader geconstrueerd dat een nieuwe krachtdrager bevat, een zwaar deeltje dat fungeert als een boodschapper tussen de donkere wereld en de onze. Deze boodschapper verbindt zich met de donkere baryonen en met de protonen en neutronen in de gewone materie, maar negeert elektronen, een kenmerk dat het model helpt om detectie in andere soorten experimenten te vermijden. Het team berekende wat er zou gebeuren als een donkere baryon met een massa van één biljoen elektronvolt, of één TeV, een xenonkern zou tegenkomen. Ze ontdekten dat als het energieverschil tussen de twee donkere toestanden ongeveer 300 keV is, de interactie een terugslagenergie zou produceren die zeer dicht bij het door het experiment waargenomen 248 keV-evenement ligt. Hun berekeningen tonen aan dat de sterkte van de interactie die nodig is om dit enkele evenement te produceren, comfortabel binnen het bereik valt van de mogelijkheden die door de LUX-ZEPLIN-data worden toegestaan. Specifiek wordt de waarschijnlijkheid dat de donkere materie een proton raakt geschat op ongeveer 6,5 maal 10 tot de macht -43 vierkante centimeter, een getal dat goed binnen het gerapporteerde betrouwbaarheidsinterval van het experiment ligt.

De onderzoekers stopten niet bij het matchen van de energie van het evenement; ze controleerden ook of hun idee andere tests zou kunnen doorstaan. Ze onderzochten of dit model te veel hoogenergetische neutrino's van de zon zou creëren, een veelvoorkomende manier om theorieën over donkere materie uit te sluiten. Ze kwamen tot de conclusie dat omdat de donkere deeltjes in hun model vervallen in andere donkere deeltjes voordat ze de gebruikelijke cascade van neutrino's kunnen produceren, het model veilig is voor de huidige zonne-neutrino-limieten. Ze keken ook naar gegevens van deeltjesversnellers, waar wetenschappers protonen op elkaar laten botsen om naar nieuwe deeltjes te zoeken. Het boodschapper-deeltje in hun theorie zou verschijnen als een "dijet"-resonantie, een paar jets van deeltjes die uit een botsing vliegen. De huidige limieten van de Large Hadron Collider sluiten hun voorgestelde boodschapper, die een massa heeft van ongeveer 1,44 TeV, niet uit, hoewel toekomstige runs van de collider dit strenger kunnen testen. Het team overwoog ook het lot van de aangeslagen donkere toestand. Ze toonden aan dat als er een licht, onzichtbaar deeltje in hun model bestaat, de aangeslagen donkere materie zeer snel kan vervallen naar de lichtere toestand, wat ervoor zorgt dat de donkere materie die wij vandaag de dag zien bijna volledig in de grondtoestand verkeert, klaar om geëxciteerd te worden door een snelle botsing.

Dit werk biedt een concrete, zij het speculatieve, verklaring voor een enkel, afwijkend datapunt. Het beweert niet het mysterie van donkere materie te hebben opgelost, noch bewijst het dat het 248 keV-evenement definitief een interactie met donkere materie was. In plaats daarvan demonstreert het dat een specifiek type samengestelde donkere materie, met een zware massa en een kleine energie-splitsing tussen twee toestanden, een levensvatbare kandidaat is die past bij de geobserveerde data zonder in strijd te zijn met andere bekende beperkingen. Het model suggereert dat als donkere materie inderdaad zo complex is, het in het volle zicht heeft gezeten, wachtend op een voldoende snelle botsing om zijn ware aard te onthullen. De onderzoekers benadrukken dat verdere gegevens van het LUX-ZEPLIN-experiment en toekomstige runs van de Large Hadron Collider cruciaal zullen zijn. Als er meer evenementen verschijnen bij hoge energieën, of als de collider het zware boodschapper-deeltje vindt, kan dit beeld van een samengestelde, endotherme donkere materie verschuiven van een wiskundige mogelijkheid naar een fysieke realiteit. Tot die tijd blijft het enkele evenement een stil, intrigerend hint dat het universum een verborgen sector kan bevatten die veel complexer is dan we ons hebben voorgesteld.