Testing Dark Matter Coscattering with the High-Energy LZ Recoil

Decennialang is het meest overtuigende bewijs voor donkere materie louter afkomstig van de zwaartekracht geweest. We zien sterren te snel rond de centra van sterrenstelsels draaien om door zichtbare materie vastgehouden te kunnen worden, en we zien licht buigen rond massieve clusters op manieren die suggereren dat onzichtbare massa het werk doet. Toch hebben we, ondanks deze gravitationele zekerheid, nog nooit direct een deeltje donkere materie gevangen. De leidende theorie suggereert dat deze deeltjes "zwak interagerende massieve deeltjes" zijn, of WIMP's, die af en toe tegen gewone atomen zouden moeten botsen in detectoren die diep onder de grond zijn begraven. Jarenlang hebben deze detectoren geluisterd naar de zwakke tik van een dergelijke botsing, maar de stilte was oorverdovend. Recentelijk rapporteerde het LUX-ZEPLIN-experiment, een enorme tank met vloeibaar xenon diep in een mijn in Zuid-Dakota, echter een enkel, ongewoon evenement. Het zag een kern terugstoten met een energie die veel hoger was dan de typische achtergrondruis, een signaal dat, hoewel nog geen ontdekking, intense belangstelling heeft gewekt voor de vraag of dit de eerste glimp zou kunnen zijn van een deeltje donkere materie dat zich anders gedraagt dan verwacht.

Deze nieuwe studie onderzoekt een specifieke mogelijkheid voor dat signaal: een deeltje donkere materie dat niet tegen een atoom botst als een biljartbal, maar in plaats daarvan de energie van de botsing gebruikt om te transformeren in een iets zwaardere versie van zichzelf. De onderzoekers, werkend binnen een kader waarin donkere materie bestaat uit twee bijna identieke toestanden—één lichtere, grotendeels verborgen staat en één zwaardere, meer interactieve staat—vraagden zich af of deze transformatie de hoogenergetische gebeurtenis in de LUX-ZEPLIN-detector zou kunnen verklaren. Ze richtten zich op een scenario waarin de huidige hoeveelheid donkere materie in het universum niet werd bepaald door het gebruikelijke proces waarbij deeltjes elkaar annihileren, maar door een conversieproces waarbij de lichtere deeltjes constant veranderden in de zwaardere deeltjes, die vervolgens verdwenen. Dit mechanisme, bekend als "coscattering", vereist een zeer specifieke set omstandigheden die donkere materie normaal gesproken onzichtbaar maken voor detectoren. Echter, het team stelde voor dat een licht, onzichtbaar krachtdragers-deeltje, dat fungeert als een boodschapper tussen de donkere en de zichtbare werelden, de kansen zou kunnen vergroten dat deze transformatie vandaag de dag plaatsvindt, waardoor het hoogenergetische signaal zichtbaar wordt.

De onderzoekers bouwden een gedetailleerd model om dit idee te testen, waarbij een deeltje donkere materie betrokken is die een mengeling is van twee typen: één die nauwelijks met iets interageert en één die sterker interageert. In hun scenario is de lichtere versie de donkere materie die we vandaag de dag zien, terwijl de zwaardere versie net iets massiever is, gescheiden door een minuscule energiekloof. In het vroege universum waren deze deeltjes heet en bewogen ze snel. Terwijl het universum afkoelde, hadden de lichtere deeltjes moeite om uit zichzelf te verdwijnen omdat ze zo zwak interageren. In plaats daarvan vertrouwden ze op het converteren naar de zwaardere deeltjes, die vervolgens gemakkelijk konden annihileren en zo verdwijnen. Deze conversie werd de flessenhals die bepaalde hoeveel donkere materie er vandaag de dag nog is. De uitdaging voor deze theorie is dat dezelfde kleine vermenging tussen de twee toestanden die deze conversie in het vroege universum mogelijk maakt, er ook voor zorgen dat het voor de lichte deeltjes bijna onmogelijk is om te interageren met detectoren op aarde vandaag de dag.

Om deze kloof te overbruggen, introduceerde het team een licht donker foton, een hypothetisch deeltje dat fungeert als een brug tussen de donkere sector en de zichtbare wereld. Dit deeltje stelt het lichte donkere deeltje in staat om energie te absorberen uit een botsing met een xenonkern en naar de zwaardere staat te springen. Omdat dit proces extra energie vereist, gebeurt dit alleen als het deeltje donkere materie zeer snel beweegt, wat het resulterende signaal van nature naar hogere energieën duwt. Dit komt overeen met het specifieke hoogenergetische terugslag-evenement gerapporteerd door de LUX-ZEPLIN-detector, dat plaatsvond bij een energie van 248 keV. De onderzoekers voerden uitgebreide simulaties uit om te zien of dezelfde parameters die de juiste hoeveelheid donkere materie in het universum creëren, ook precies één zodanig evenement in de detector zouden kunnen produceren, zoals geobserveerd.

Hun resultaten tonen aan dat dit scenario inderdaad mogelijk is, maar alleen binnen een smal venster van condities. Voor de lichtste massa van het donkere foton die zij overwogen, rond de 250 MeV, werkt het model opmerkelijk goed. In dit geval overlapt het gebied van parameters dat de juiste hoeveelheid donkere materie via het conversieproces produceert, bijna perfect met het gebied dat het hoogenergetische evenement gezien door LUX-ZEPLIN zou genereren. Dit betekent dat het experiment direct de zeer zelfde interactie kan testen die de creatie van donkere materie miljarden jaren geleden regisseerde. Het model voorspelt dat de massa van het deeltje donkere materie tussen 750 GeV en 1,6 TeV zou liggen, een bereik dat zwaar is maar toegankelijk voor de huidige fysica. De massasplitsing tussen de twee donkere toestanden moet tussen de 150 en 300 keV liggen om de hoogenergetische terugslag mogelijk te maken zonder de snelheidslimieten van de deeltjes in ons sterrenstelsel te overschrijden.

Echter, het verhaal wordt ingewikkelder naarmate de massa van het onzichtbare boodschapper-deeltje toeneemt. Wanneer de onderzoekers de massa van dit donkere foton verhoogden naar 500 MeV of 1 GeV, begon de verbinding tussen het vroege universum en de hedendaagse detector te rafelen. Een zwaarder boodschapper maakt het moeilijker voor de donkere materie om met de detector te interageren, wat een sterkere vermenging tussen de twee donkere toestanden vereist om een signaal te produceren. Maar als de vermenging te sterk is, wordt het conversieproces in het vroege universum te efficiënt, en zou de resulterende hoeveelheid donkere materie veel te laag zijn om overeen te komen met wat we observeren. Bijgevolg overlapt de regio waar de detector een signaal zou zien, voor de zwaarste boodschapper-massa, niet langer met de regio waar de door conversie gedreven geschiedenis van het universum werkt. Het hoogenergetische evenement zou nog steeds mogelijk zijn, maar het zou niet langer verbonden zijn met het mechanisme dat de donkere materie creëerde die we vandaag de dag zien.

De studie concludeert dat het hoogenergetische terugslag-evenement gerapporteerd door LUX-ZEPLIN een unieke kans biedt om een specifiek type geschiedenis van donkere materie te onderzoeken. Als het signaal inderdaad van donkere materie is, wijst dit op een scenario waarin de abundantie van deze deeltjes werd bepaald door een conversieproces in plaats van eenvoudige annihilatie. Dit zou betekenen dat dezelfde kracht die de deeltjes in staat stelde om te transformeren in het hete, dichte vroege universum, ook de kracht is die hen vandaag de dag in onze detectoren laat transformeren. Hoewel het model een licht donker foton vereist om deze interactie zichtbaar te maken, blijft het consistent met alle andere bekende beperkingen uit de deeltjesversnellers. De onderzoekers benadrukken dat dit een bevinding is op basis van simulaties, wat suggereert dat het een levensvatbaar pad vooruit biedt in plaats van een bevestigde ontdekking. Als toekomstige gegevens van LUX-ZEPLIN of andere experimenten dit hoogenergetische signaal bevestigen, zou het het eerste directe bewijs kunnen leveren dat de geschiedenis van donkere materie geschreven is in de taal van conversie, waarmee de kosmos van de oerknal wordt verbonden met de stille diepten van een mijn in Zuid-Dakota.