Endothermic Dark Matter at LZ from a Decaying Parent

Diep onder het oppervlak van de aarde, in een tank met vloeibaar xenon, afgeschermd van de ruis van de kosmos, luisteren wetenschappers naar een gefluister. Ze luisteren naar donkere materie, de onzichtbare substantie die het grootste deel van de massa van het universum vormt, maar op geen enkele manier met licht of gewone materie interageert die we gemakkelijk kunnen waarnemen. Decennialang was het leidende idee dat donkere materie een langzaam bewegende, koude wolk van deeltjes is die door ons sterrenstelsel drijft. Als deze deeltjes tegen een xenonatoom zouden botsen, zouden ze een piepkleine hoeveelheid energie overdragen, waardoor het atoom terugdeinst. Echter, een recente waarneming door het LUX-ZEPLIN-experiment heeft een probleem veroorzaakt in dit eenvoudige beeld. De detector zag een enkel evenement waarbij een xenonkern met een verrassend hoge energie terugdeinsde, ongeveer 248 kiloelektronvolt. Deze energie is veel te hoog voor een typisch langzaam bewegend deeltje donkere materie om te leveren, en het gebrek aan andere vergelijkbare evenementen bij lagere energieën suggereert dat de gebruikelijke verklaring incompleet zou kunnen zijn. Dit enkele, hardnekkige signaal heeft natuurkundigen gedwongen een nieuwe vraag te stellen: zou de donkere materie die onze detectoren raakt veel sneller bewegen dan verwacht, of zou het in een geheel andere vorm kunnen arriveren?

Een team van onderzoekers van de Yonsei Universiteit en het Korea Institute for Advanced Study heeft een specifiek antwoord op dit raadsel voorgesteld. Zij suggereren dat de donkere materie die de detector raakt niet de langzame, koude materie is die we gewoonlijk voor ons zien, maar eerder een stroom energetische deeltjes die worden geproduceerd door het verval van een zwaarder, langlevend ouderdeeltje. Stel je een zwaar, instabiel deeltje voor dat al miljarden jaren door het sterrenstelsel reist. Uiteindelijk valt het uiteen in twee lichtere, snellere deeltjes. Dit zijn de deeltjes die de aarde bereiken. Omdat ze zijn geboren uit een zwaar ouderdeeltje, dragen ze een aanzienlijke snelheid en energie met zich mee. Wanneer een van deze snel bewegende deeltjes een xenonatoom raakt, kan dit een specifiek type reactie triggeren dat endotherische verstrooiing wordt genoemd. In dit proces is een bepaalde minimale hoeveelheid energie nodig om te beginnen, net zoals een auto een minimale snelheid nodig heeft om een steile heuvel op te rijden. Als het inkomende deeltje net genoeg energie heeft om die heuvel te overwinnen, vindt de resulterende terugslag, of recoil, plaats op een zeer specifiek, hoog energieniveau. Dit mechanisme verklaart op natuurlijke wijze waarom de detector een signaal zag bij 248 kiloelektronvolt en niet bij lagere energieën, aangezien de fysica van de botsing alles wegfiltert dat niet over de juiste snelheid beschikt.

De onderzoekers bouwden een gedetailleerd model om te testen of dit idee zou kunnen werken. Ze begonnen met het berekenen van de eigenschappen van het hypothetische ouderdeeltje en zijn kinderen. Ze ontdekten dat als het ouderdeeltje een massa heeft van ongeveer 506 MeV en vervalt in twee lichtere deeltjes, waarvan er één ongeveer 10 MeV is, de resulterende stroom deeltjes precies de juiste energie zou hebben om het geobserveerde signaal te produceren. Een cruciaal onderdeel van hun werk was het rekening houden met de beweging van de aarde en de ouderdeeltjes zelf. Net zoals de toonhoogte van een sirene verandert wanneer een ambulance langsrijdt, verandert de energie van de deeltjes lichtjes afhankelijk van hoe de bron en de waarnemer ten opzichte van elkaar bewegen. Het team nam dit effect, bekend als Doppler-verbreding, op in hun berekeningen. Ze ontdekten dat zelfs met deze natuurlijke spreiding van energieën, het signaal scherp en geconcentreerd blijft rond de 248 keV mark, wat overeenkomt met het enkele evenement dat door het LUX-ZEPLIN-experiment is gezien.

Om dit scenario passend te maken voor de data, moesten de onderzoekers bepalen hoe vaak het zware ouderdeeltje moet vervallen. Ze vonden dat voor de stroom deeltjes sterk genoeg moet zijn om slechts één evenement in de blootstellingstijd van de detector te produceren, het ouderdeeltje ongelooflijk lang moet leven. Het zou ongeveer 4,4 maal 10 tot de macht 20 seconden moeten overleven voordat het vervalt. Dit is een tijdsbestek dat zo immens is dat het moeilijk te bevatten is, en dat de huidige leeftijd van het universum ver overstijgt. Deze extreme levensduur verklaart waarom we geen vloedgolf van deze deeltjes zien; ze zijn zeldzaam, maar door het enorme aantal van hen in het sterrenstelsel betekent het dat er af en toe een onze detector zal vinden. Het team controleerde ook op bijwerkingen. Als dit scenario waar zou zijn, zouden er andere soorten interacties tegelijkertijd moeten plaatsvinden, zoals deeltjes die van xenon afketsen zonder energie te verliezen. Hun berekeningen toonden aan dat voor het model om te werken, deze andere interacties extreem zeldzaam moeten zijn, onderdrukt door een factor van meer dan 10.000 vergeleken met het hoofdsignaal. Dit stelt een strikte voorwaarde voor elke toekomstige theorie die probeert het evenement te verklaren.

De studie onderzocht ook hoe deze stroom deeltjes zou reageren als deze andere materialen tegenkomt. De onderzoekers berekenden dat deze snelle deeltjes de lagen gesteente en aarde boven de detector zouden passeren zonder aanzienlijk te worden gestopt of vertraagd. Ze zouden de xenon-tank in essentie ongehinderd bereiken. Bovendien onderzochten ze hoe dit model eruit zou zien voor detectoren die andere elementen gebruiken, zoals argon of germanium. Ze vonden dat het signaal heel anders zou zijn voor deze andere materialen, waarbij sommige bijna geen enkele gebeurtenis zouden zien terwijl anderen een ander patroon zouden kunnen zien. Dit biedt een manier om de idee te testen: als toekomstige experimenten met verschillende materialen de specifieke patronen zien die dit model voorspelt, zou dat de vervalhypothese sterk ondersteunen. Als ze iets anders zien, kan het idee worden uitgesloten.

Uiteindelijk beweert dit artikel niet het mysterie van de donkere materie te hebben opgelost. De waarneming van een enkel evenement is niet voldoende om een nieuwe theorie te bevestigen, en de onderzoekers zijn voorzichtig door te stellen dat hun werk een berekening van mogelijkheden is, en geen ontdekking van een nieuw deeltje. In plaats daarvan hebben ze een concreet, wiskundig blauwdruk geleverd voor hoe een vervallend donker materie-ouderdeeltje het specifieke signaal gezien door LUX-ZEPLIN zou kunnen creëren. Ze hebben aangetoond dat de fysica dergelijke een scenario toestaat, mits het ouderdeeltje een onvoorstelbaar lange tijd leeft en op een zeer specifieke, zwakke manier met gewone materie interageert. Door de exacte condities uiteen te zetten die nodig zijn om dit te laten gebeuren, inclusief de benodigde massa, de levensduur en de sterkte van de interactie, hebben ze de wetenschappelijke gemeenschap een duidelijk doel gegeven. Toekomstige experimenten kunnen nu zoeken naar deze specifieke handtekeningen, om ofwel dit vervalscenario te bevestigen, of de deur ervoor te sluiten, waardoor we een stap dichter bij het begrijpen van de onzichtbare massa die ons universum bij elkaar houdt.