Model-Independent Sideband Constraints on Inelastic Dark Matter at the LZ High-Recoil Candidate

Diep in de stilte van de kosmos drijft er naar verluidt een enorme zee van onzichtbare deeltjes door alles wat we zien, inclusief ons eigen lichaam. Wetenschappers noemen deze deeltjes donkere materie, en hoewel ze geen licht uitzenden of niet op een manier interageren met gewone materie die we gemakkelijk kunnen detecteren, vormt hun zwaartekracht de structructuur van het universum. Decennialang hebben onderzoekers enorme, uiterst gevoelige detectoren diep onder de grond gebouwd om een glimp van deze deeltjes op te vangen. De meest recente hiervan, het LUX-ZEPLIN-experiment, bevindt zich in een mijn in South Dakota, gevuld met tonnen vloeibaar xenon. Het doel is eenvoudig maar diepgaand: een minuscuul lichtflitsje opmerken dat wordt veroorzaakt wanneer een deeltje donkere materie tegen een atoom xenon botst. Onlangs registreerde deze detector een enkel, ongewoon evenement dat een nieuwe lijn van onderzoek heeft ontketend. Het was een botsing die plaatsvond met veel meer energie dan wetenschappers gewoonlijk verwachten van een standaard ontmoeting met donkere materie, wat aanleiding gaf tot een frisse blik op wat deze onzichtbare deeltjes eigenlijk zouden kunnen zijn.

Het standaardbeeld van donkere materie suggereert dat wanneer deze deeltjes een atoom raken, ze er zachtjes vanaf stuiteren en een kleine hoeveelheid energie overdragen. Echter, het enkele evenement dat de LUX-ZEPLIN-detector registreerde, was ongewoon energierijk, met een terugslagenergie van 248 kiloelektronvolt. Deze hoge energie is moeilijk te verklaren met het gebruikelijke model van donkere materie, dat een vloedgolf van lage-energetische botsingen zou produceren die de detector niet heeft gezien. In plaats daarvan past dit specifieke evenement bij een ander idee dat bekend staat als inelastische donkere materie. In dit scenario is het deeltje donkere materie niet één enkel, onveranderlijk object, maar heeft het een iets zwaardere versie van zichzelf. Wanneer het een xenonatoom raakt, stuitert het niet alleen weg; het transformeert naar die zwaardere versie. Deze transformatie vereist een specifieke hoeveelheid energie om plaats te vinden, wat werkt als een drempel die de botsingen met lage energie blokkeert terwijl de botsingen met hoge energie doorlaat. Dit mechanisme verklaart op natuurlijke wijze waarom de detector een botsing met hoge energie zag, maar de zwerm van lage-energetische botsingen miste die men bij andere theorieën zou verwachten.

Twee onderzoekers, David Delepine en Shaaban Khalil, besloten dit idee te testen zonder enige aannames te doen over de specifieke aard van het deeltje donkere materie of de krachten die het beheersen. Ze behandelden het probleem als een puzzel van pure geometrie en statistiek. Ze namen de gegevens van het LUX-ZEPLIN-experiment en verdeelden de mogelijke energieniveaus in drie zones. De middelste zone bevatte het enkele evenement met hoge energie dat de interesse wekte. De andere twee zones, één onder en één boven dit evenement, dienden als controlegebieden. Als de theorie van inelastische donkere materie correct was, zouden de wetten van de fysica een zeer specifieke relatie voorschrijven tussen het aantal gebeurtenissen in de middelste zone en het aantal gebeurtenissen in de zones erboven en eronder. De onderzoekers berekenden wat de detector had moeten zien in die controlezones als het evenement inderdaad werd veroorzaakt door dit type donkere materie.

Hun analyse onthulde een precies evenwichtspunt. Voor elke gegeven massa van het deeltje donkere materie is er een specifieke energieafstand tussen zijn twee toestanden die ervoor zorgt dat het aantal voorspelde gebeurtenissen in de lage-energetische zone gelijk is aan het aantal voorspelde gebeurtenissen in de hoge-energetische zone. Op dit evenwichtspunt doet de theorie haar meest conservatieve voorspelling, waarbij het aantal extra gebeurtenissen dat zij verwacht, wordt geminimaliseerd. Voor een deeltje donkere materie met een massa van duizend gigaelektronvolt vindt dit evenwicht plaats wanneer de energieafstand 339 kiloelektronvolt is. Bij deze instelling voorspelt de theorie dat voor elk evenement dat in het midden wordt gezien, er ongeveer 1,77 gebeurtenissen in de lage-energetische zone en nog eens 1,77 in de hoge-energetische zone zouden moeten zijn. Aangezien de detector tot nu toe nul gebeurtenissen in beide controlezones heeft gezien, is de theorie niet volledig weerlegd, maar staat zij wel onder aanzienlijke druk. De statistische spanning tussen de voorspelling en de observatie is ongeveer 1,9 standaarddeviaties, wat een aanwijzing is voor een probleem, maar niet genoeg om de theorie als onjuist te verklaren.

De situatie wordt complexer wanneer men kijkt naar de specifieke eigenschappen van de xenonatomen in de detector. De manier waarop xenonatomen reageren op een botsing hangt sterk af van de energie van de klap, en bij de specifieke energie van het geobserveerde evenement is xenon opmerkelijk ongevoelig. De atomaire structuur van xenon veroorzaakt een onderdrukkingseffect, waardoor het ongeveer vierduizend keer moeilijker is om een botsing bij deze energie te detecteren dan bij lagere energieën. Dit betekent dat voor de donkere materie om het geziene enkele evenement te hebben geproduceerd, deze met een veel sterkere kracht moet hebben geïnteracteerd dan voorheen gedacht. Bovendien is dit onderdrukkingseffect uniek voor xenon. Als dezelfde deeltjes donkere materie tegen een ander type atoom zouden botsen, of zelfs een ander isotoop van xenon, zou de onderdrukking niet zo sterk zijn, en zou de detector waarschijnlijk veel meer gebeurtenissen hebben gezien. Dit creëert een strikte beperking: de theorie werkt alleen als de donkere materie op een zeer specifieke, onderdrukte manier met xenon interageert.

De onderzoekers concluderen dat de beste manier om deze vraag te beslechten is door te kijken naar de hoge-energetische zone die nog niet volledig is geanalyseerd. Als de theorie van inelastische donkere materie correct is, zou de detector een cluster van gebeurtenissen moeten vinden in het energiebereik tussen 271 en 800 kiloelektronvolt. Het vinden van niets daar zou er sterk op wijzen dat het enkele evenement een toevalstreffer was of door iets anders werd veroorzaakt. Omgekeerd zou het vinden van een patroon van gebeurtenissen dat overeenkomt met de voorspelde vorm, sterk bewijs leveren dat donkere materie van interne staat kan veranderen wanneer het botst met gewone materie. Totdat die zoektocht is voltooid, blijft het idee een plausibele maar onbewezen verklaring voor een enkel, mysterieus lichtflitsje in de diepe duisternis.