Solar capture and annihilation of fermionic and scalar dark matter motivated by the LUX-ZEPLIN high-recoil candidate

De zoektocht naar donkere materie is een van de meest diepgaande onderzoeken in de moderne fysica, gedreven door het overweldigende bewijs dat het universum veel meer massa bevat dan we kunnen zien. Astronomen hebben lang geobserveerd dat sterren in sterrenstelsels te snel bewegen om alleen door de zwaartekracht van zichtbare materie bij elkaar te worden gehouden, en dat licht van verre objecten buigt op manieren die onzichtbare massa vereisen om dit te verklaren. Deze onzichtbare substantie, bekend als donkere materie, wordt geacht ongeveer vijfentachtig procent van alle materie in het kosmos uit te maken, maar het zendt geen licht uit, absorbeert geen licht en reflecteert geen licht, waardoor het onmogelijk te detecteren is met traditionele telescopen. In plaats daarvan vertrouwen wetenschappers op indirecte methoden, waarbij ze zoeken naar de subtiele gravitationele trek die donkere materie op zichtbare objecten uitoefent of zoeken naar zeldzame botsingen tussen deeltjes van donkere materie en de atomen in detectoren diep onder de grond.

Een van de meest veelbelovende strategieën houdt in dat men zoekt naar deze botsingen in enorme tanks met vloeibaar xenon, waar een deeltje van donkere materie die een xenonkern raakt, een minuscuul flitsje licht en een klein elektrisch signaal zou creëren. Onlangs rapporteerde het LUX-ZEPLIN-experiment, een leidende detector van dit type, een kandidaat-gebeurtenis die een botsing van donkere materie zou kunnen zijn. Deze enkele gebeurtenis, die plaatsvond op een specifiek energieniveau, heeft intense belangstelling gewekt omdat het suggereert dat donkere materie mogelijk interageert met gewone materie op een manier die vereist dat het donkere deeltje een kleine hoeveelheid energie wint om de botsing te triggeren. Dit scenario, bekend als endotherme verstrooiing, impliceert dat deeltjes van donkere materie in twee vormen voorkomen: een lichtere, stabiele versie en een iets zwaardere, aangeslagen versie. Om het signaal te creëren, moet een deeltje van donkere materie energie absorberen uit zijn botsing om van de lichte staat naar de zware staat te springen. Echter, deze enkele gebeurtenis vertelt ons niet wat het deeltje van donkere materie daadwerkelijk is. Het zou een type fermion kunnen zijn, een klasse deeltjes die elektronen en protonen omvat, of het zou een scalaar kunnen zijn, een ander soort deeltje dat meer lijkt op een veld dan op een solide object. Het onderscheiden tussen deze twee mogelijkheden is cruciaal voor het begrijpen van de fundamentele aard van het universum, maar op aarde zijn de signalen die ze in een xenon-detector produceren vrijwel identiek.

Om dit puzzelstuk op te lossen, richtte een team van onderzoekers hun aandacht op de Zon. Ze stelden een eenvoudige maar diepgaande vraag: als twee verschillende soorten donkere materie exact hetzelfde signaal produceren in een xenon-detector op aarde, kan de Zon hen dan van elkaar onderscheiden? De Zon fungeert als een massieve gravitationele val die deeltjes van donkere materie uit de Melkweg aantrekt. Wanneer deze deeltjes botsen met de kernen van atomen binnen de Zon, kunnen ze genoeg snelheid verliezen om gevangen te raken in een baan rond de zonnekern. Eenmaal gevangen, blijven ze rondstuiteren en verliezen ze meer energie bij elke botsing, totdat ze zich in een dichte, hete wolk in het centrum nestelen. Uiteindelijk ontmoeten deze deeltjes elkaar en annihileren ze met elkaar, waarbij hoogenergetische neutrino's vrijkomen die door telescopen op aarde kunnen worden gedetecteerd. De onderzoekers realiseerden zich dat hoewel de initiële vangst van deze deeltjes er voor beide fermionen en scalairen hetzelfde uit zou kunnen zien, wat er vervolgens binnen de Zon gebeurt, heel anders kan zijn.

Het team construeerde een gedetailleerde simulatie om twee specifieke modellen van donkere materie te vergelijken: een gesplitste fermionische doublet en een inerte scalaire doublet. Ze stemden de eigenschappen van deze twee modellen zorgvuldig op elkaar af, zodat ze exact hetzelfde aantal botsingen in de LUX-ZEPLIN-detector zouden produceren, waardoor ze in een terrestrisch experiment ononderscheidbaar werden gemaakt. Vervolgens volgden ze de reis van deze deeltjes terwijl ze in de Zon vielen. Het cruciale verschil lag in hoe lang de aangeslagen staat van het deeltje duurde voordat deze terugviel naar de grondtoestand. Voor het fermionische model is de aangeslagen staat extreem kortstondig en vervalt deze bijna onmiddellijk. Voor het scalaire model is de aangeslagen staat veel langer houdbaar en overleeft deze dagenlang. Dit verschil in timing verandert het hele verhaal van wat er binnen de Zon gebeurt.

In het fermionische scenario vervalt het deeltje zo snel dat het in essentie functioneert als een enkel type deeltje dat de extra energie al heeft verloren. Het koelt efficiënt af en nestelt zich in de zonnekern, waar het annihileert met zijn partner. In het scalaire scenario blijft het deeltje veel langer in zijn aangeslagen staat hangen. Tijdens deze verlengde periode is het waarschijnlijler dat het tegen andere atomen botst en snelheid wint, waardoor het potentieel de zwaartekracht van de Zon kan ontsnappen voordat het ooit de kans krijgt om af te koelen en zich in de kern te nestelen. De onderzoekers ontdekten dat dit subtiele verschil in levensduur leidt tot een meetbaar verschil in de uiteindelijke uitkomst. Hoewel beide modellen succesvol donkere materie vangen en een toestand van evenwicht bereiken waarin vangst in balans is met annihilatie, behoudt het scalaire model iets minder deeltjes in de kern. Specifiek is de snelheid waarmee scalaire donkere materie annihileert ongeveer vijf tot acht procent lager dan die van de fermionische donkere materie, zelfs als ze met dezelfde vangstsnelheid begonnen.

Dit resultaat is significant omdat het laat zien dat de Zon als een filter kan fungeren, die verschillen tussen deeltjesmodellen onthult die verborgen zijn in terrestrische detectoren. De onderzoekers vonden geen manier om een van de twee modellen volledig uit te sluiten, noch bewezen ze dat één van de twee het juiste antwoord op het mysterie van de donkere materie is. In plaats daarvan toonden ze aan dat de twee modellen, hoewel ononderscheidbaar in een xenon-tank, verschillende evolutionaire paden volgen binnen een ster. De scalaire deeltjes zijn, vanwege hun langer durende aangeslagen staat, iets gevoeliger voor ontsnapping uit de Zon, wat leidt tot een bescheiden vermindering van het totaal aantal annihilatiegebeurtenissen. Dit verschil is klein, maar het is consistent over een breed scala aan aannames over de dichtheid van donkere materie in onze Melkweg en de interne structuur van de Zon.

De studie onderzocht ook de aard van de signalen die deze annihilaties produceren. Wanneer deeltjes van donkere materie annihileren, produceren ze vaak paren van W- of Z-bosonen, dit zijn zware deeltjes die de zwakke kernkracht overbrengen. Deze bosonen vervallen vervolgens in andere deeltjes, inclusief neutrino's. De onderzoekers ontdekten dat de fermionische en scalaire modellen deze bosonen met verschillende kenmerken produceren, zoals verschillende polarisatiestaten, wat zou resulteren in licht verschillende energiespectra van de resulterende neutrino's. Toen ze de voorspelde neutrino-signalen vergeleken met bestaande gegevens van het IceCube Neutrino Observatory, vonden ze dat de voorspelde signalen voor beide modellen sterker waren dan de huidige limieten die door IceCube zijn gesteld voor een specifiek type donkere materie. Deze vergelijking werd echter gemaakt op bronniveau, wat betekent dat er geen rekening is gehouden met alle complexiteiten van hoe neutrino's door de Zon reizen of hoe de detector op hen reageert. Daarom vormt deze bevinding nog geen definitieve uitsluiting van een van de twee modellen, maar het benadrukt dat de twee modellen verschillende neutrino-handtekeningen zouden produceren die toekomstige, meer gedetailleerde analyses potentieel zouden kunnen onderscheiden.

Uiteindelijk biedt dit werk een nieuw instrument om de aard van donkere materie te onderzoeken. Het laat zien dat zelfs wanneer twee theorieën hetzelfde signaal voorspellen in een directe detectie-experiment, de astrofysische omgeving van de Zon hun onderliggende verschillen kan blootleggen. De onderzoekers hebben niet ontdekt wat donkere materie is, maar ze hebben wel aangetoond hoe de Zon ons kan helpen het verschil te zien tussen twee zeer gelijkaardige kandidaten. Door de gegevens van ondergrondse detectoren te combineren met de fysica van stellaire evolutie, kunnen wetenschappers beginnen met het verfijnen van het enorme landschap van mogelijke donkere materie-theorieën. De studie bevestigt dat de Zon niet slechts een passieve waarnemer is in de zoektocht naar donkere materie, maar een actieve laboratorium waar de subtiele dynamica van de deeltjesfysica zich op een grote schaal afspeelt, en een complementair perspectief biedt dat terrestrische experimenten alleen niet kunnen bieden.