LZ Merekam Satu Peristiwa Misterius—Tapi Belum Menemukan Materi Gelap

Eksperimen LUX-ZEPLIN (LZ) di South Dakota, Amerika Serikat, melaporkan satu interaksi partikel yang tidak biasa dalam pencarian materi gelapnya. Hasil ini pantas mendapat perhatian, tetapi kesimpulan utamanya jelas: LZ belum menemukan materi gelap. Yang terlihat hanyalah satu kandidat peristiwa dengan karakteristik recoil nuklir xenon pada energi tinggi, di wilayah analisis yang diperkirakan memiliki sedikit gangguan dari proses biasa. 17

Apa yang ditemukan LZ?

Dalam 220 hari pengambilan data aktif antara Maret 2023 dan April 2024, tim LZ memperluas jendela pencarian recoil nuklir hingga sekitar 270 keV. Perluasan ini dirancang untuk mencari skenario WIMP nonstandar—misalnya interaksi yang dijelaskan teori medan efektif atau model inelastik—yang dapat menghasilkan tumbukan nuklir berenergi lebih tinggi daripada pencarian WIMP konvensional. 17

Dari paparan sekitar 2,84 ton-tahun, LZ melihat satu peristiwa yang konsisten dengan recoil nuklir xenon berenergi sekitar 248 keV. Energinya dilaporkan sebagai 248 ± 23 (statistik) ± 23 (sistematik) keV, sementara prediksi latar belakang yang telah diketahui di wilayah tersebut rendah.

Mengapa menarik, tetapi belum layak disebut penemuan?

Setelah memperhitungkan look-elsewhere effect—fakta bahwa peluang menemukan anomali kebetulan meningkat ketika banyak model dan wilayah data diuji—signifikansi global hasil itu adalah 2,6 sigma. Ini setara kira-kira dengan peluang 0,5% bahwa hasil seperti itu muncul dari hipotesis latar belakang yang diketahui. Signifikansi lokal tertinggi di antara model yang diuji mencapai 3,4 sigma.

Angka tersebut memang tidak biasa, tetapi fisika partikel umumnya mensyaratkan 5 sigma untuk mengklaim penemuan. Lebih penting lagi, satu peristiwa tidak cukup untuk menunjukkan pola yang dapat diulang. Dengan satu titik data, peneliti belum dapat membedakan secara andal antara partikel baru dan sumber latar belakang langka yang belum masuk ke dalam model. 17

Dengan kata lain, ini adalah petunjuk yang menarik—bukan pengumuman bahwa materi gelap telah terdeteksi.

Dua penjelasan yang sedang diuji

Jika peristiwa itu benar-benar disebabkan oleh WIMP (weakly interacting massive particle, kandidat partikel materi gelap yang berinteraksi sangat lemah), interpretasinya mengarah pada WIMP yang relatif berat: sedikitnya sekitar 200 GeV/c², atau lebih dari 200 kali massa proton. Interaksinya juga tampaknya tidak cocok dengan model WIMP paling sederhana, yakni hamburan spin-independen. 17

Namun ada penjelasan lain yang tetap sangat mungkin: sebuah latar belakang langka dengan bentuk peristiwa yang belum sepenuhnya dimodelkan. Kolaborasi LZ telah memeriksa sejumlah kemungkinan latar belakang, tetapi sejarah eksperimen partikel menunjukkan bahwa banyak anomali tunggal pada akhirnya dapat dijelaskan oleh sumber biasa yang sebelumnya terlewat. 17

Data yang lebih banyak akan menjadi penentu

LZ terus mengumpulkan data menuju paparan 1.000 hari aktif dan sudah memiliki kumpulan data yang lebih besar daripada yang dipakai dalam analisis ini. Bila kandidat tersebut berasal dari populasi WIMP nyata, data baru semestinya memunculkan peristiwa tambahan dengan distribusi energi dan posisi yang konsisten. Jika tidak muncul kembali, penjelasan berupa fluktuasi statistik atau latar belakang yang belum dikenali akan semakin kuat. 17

Setelah LZ, komunitas juga mengusulkan observatorium XLZD untuk pertengahan 2030-an. Target xenonnya direncanakan kira-kira sepuluh kali lebih besar daripada detektor generasi sekarang. Paparan yang jauh lebih besar dan kemampuan pemisahan latar belakang yang lebih baik dapat menguji secara tegas penafsiran WIMP berat, atau menyingkirkan penjelasan tersebut hingga tingkat interaksi yang jauh lebih kecil. 12

Berbeda dari temuan neutrino XENONnT

Hasil LZ ini perlu dibedakan dari pencapaian lain yang jauh lebih mapan oleh XENONnT, eksperimen xenon bawah tanah di Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italia. XENONnT melaporkan pengamatan 5 sigma neutrino Matahari berenergi rendah yang menghambur elastis pada elektron. Sinyalnya didominasi neutrino pp, yang dihasilkan oleh reaksi fusi proton-proton di Matahari, dengan ambang energi neutrino sekitar 17 keV—yang dilaporkan sebagai ambang terendah untuk deteksi neutrino langsung. 69

Sebelumnya, pada 2024, XENONnT juga melaporkan indikasi pertama neutrino Matahari boron-8 melalui hamburan koheren elastis neutrino–inti atau CEνNS. Proses ini menghasilkan recoil nuklir, sehingga secara jenis sinyal lebih menyerupai apa yang dicari dalam eksperimen WIMP berbasis xenon. Analisis tersebut mencatat 37 peristiwa di atas 0,5 keV, dibanding latar belakang yang diharapkan sekitar 26,4 peristiwa, dengan signifikansi 2,73 sigma. 31112

Gabungan hasil LZ dan XENONnT memperlihatkan perubahan peran detektor xenon ultra-rendah-latar-belakang. Instrumen ini bukan hanya memburu WIMP, tetapi juga menjadi observatorium untuk mengukur neutrino Matahari melalui recoil elektron maupun inti, menguji fisika interaksi neutrino, dan menyempurnakan pengendalian latar belakang. Kemampuan itu semakin penting ketika pencarian materi gelap mendekati batas yang sering disebut "kabut neutrino", yakni saat sinyal neutrino mulai sulit dibedakan dari sinyal WIMP. 179