The LZ event with a two-state dark matter halo
本文通过引入双态暗物质晕模型，对 LUX-ZEPLIN (LZ) 实验中的单个核反冲候选事件进行了重新分析，证明了少量激发态暗物质状态的存在，与标准解释相比，可以显著降低所需的散射截面并改变运动学约束。
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暗物质是维持星系结构的不可见物质，约占宇宙总能量的四分之一。尽管其引力作用不容置疑，但科学家从未直接探测到与普通物质相互作用的暗物质粒子。为了寻找它，研究人员在地下深处建造了大型、超灵敏的探测器，等待暗物质粒子偶尔撞击原子核并产生微小的闪光。位于南达科他州一个旧金矿中的 LUX-ZEPLIN 实验，最近报告观察到了一个看起来完全符合此类碰撞特征的、极具前景的单一事件。这个发生在特定能量水平上的单次闪光引发了激烈的争论，因为标准暗物质理论难以解释为什么只有一个出现在如此高能量下的事件，而预期的低能信号却消失了。
由 Vinícius Oliveira 领导的一位研究人员重新审视了这个单一事件，旨在观察当考虑到一个特定且常被忽视的可能性时，标准的解释是否依然成立。解释该事件的主流观点涉及“非弹性”暗物质，即粒子必须吸收能量以改变为自身的更重版本，然后才能发生碰撞。这种被称为“吸热散射”的过程自然地抑制了低能碰撞，并将信号推向更高能量，这与 LUX-ZEPLIN 观察到的单次事件相吻合。然而，该理论假设环绕我们星系的暗物质晕完全由这些较轻的基态粒子组成。这项新研究通过提出以下问题挑战了这一假设：如果暗达物质晕中也包含大量的较重激发态粒子，情况会如何？
在许多理论模型中，轻型和重型两种版本的暗物质粒子都在早期宇宙中被创造出来，并且两者都应该在现今存续。如果较重的版本存在于我们的银河系邻里，它可以实现与标准情景相反的过程：它不需要吸收能量来碰撞，而是可以通过降至较轻状态来释放能量。这种“放热”过程将允许即使是最慢、最冷的暗物质粒子也能产生碰撞，从而可能产生比吸热版本更强的信号。研究人员利用公开信息，从头开始重建了 LUX-ZEPLIN 数据的统计分析，以验证其方法是否与官方结果一致，随后将这一新框架应用于包含这两种粒子混合型的暗物质晕。
研究结果表明，暗物质晕的组成对于解读该事件至关重要。如果暗物质晕中哪怕只有极小比例由较重粒子组成，动力学特性也会发生彻底改变。研究显示，如果较重粒子占总暗物质的比例超过了一个极小的百分比——根据两种状态之间的质量差异，该比例在万分之一到百分之一之间——能量释放型的碰撞将主导信号。在暗物质晕由两类粒子平分的情况下，解释观察到的单次事件所需的暗物质量，与标准模型相比，会大幅下降，降幅在 80 倍到一万多倍之间。此外，限制标准理论的能量锐减截断也将消失，允许信号延伸到更高的能量。
这项工作表明，此前对 LUX-ZEPLIN 事件的解释（即假设暗物质晕仅包含较轻粒子）可能是不完整的。如果暗物质晕包含相等比例的两种类型，那么之前在旧假设下完美解释该事件的特定理论模型现在已被排除；在这种情况下，该模型预测的信号强度过高，与数据不符。研究人员总结道，当科学家试图理解非弹性暗物质信号时，不能忽略较重的激发态粒子在我们的星系中存续的可能性。观察到的这一单一事件不仅是一个需要由单一粒子类型来解决的谜题，它更可能是一个线索，表明我们周围的暗物质是一种复杂的混合物，其中次要重型粒子的存在可能会从根本上改变我们所观察到的事物。
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