LZ ziet mogelijk spoor van donkere materie, maar van een ontdekking is nog geen sprake

Het donkere-materiejacht van LUX-ZEPLIN (LZ) heeft een intrigerend spoor opgeleverd: één gebeurtenis die eruitziet alsof een deeltje een xenonkern heeft geraakt. De gereconstrueerde energie bedroeg ongeveer 248 keV, binnen een speciaal analysevenster dat doorloopt tot circa 270 keV 1.

Dat is wetenschappelijk interessant, maar het is nog geen detectie van donkere materie. De samenwerking spreekt in feite over een kandidaat-signaal dat met meer gegevens en onafhankelijke controles moet worden getest.

Wat heeft LZ precies gemeten?

De onderzoekers analyseerden 220 dagen aan bruikbare meetgegevens, verzameld tussen maart 2023 en april 2024 3. Bij de gebruikelijke LZ-zoektochten ligt de nadruk op laagenergetische terugslagen, zoals die worden verwacht in eenvoudige modellen van zogenaamde WIMP’s. Dat zijn hypothetische, zwak wisselwerkende zware deeltjes die een mogelijke verklaring vormen voor donkere materie.

In de nieuwe analyse werd juist een hoger energiegebied onderzocht. Daarmee kunnen ook minder conventionele scenario’s worden getest, waaronder modellen uit de effectieve-veldentheorie en zogenoemde inelastische donkere materie 1.

Eén gebeurtenis bleef na de analyse over. De eigenschappen ervan zijn verenigbaar met een kernterugslag: het soort signaal dat kan ontstaan wanneer een deeltje op de kern van een xenonatoom botst. Vooralsnog is er geen overtuigende verklaring gevonden in de bekende achtergrondprocessen van de detector. Precies daarom is de gebeurtenis opvallend 138.

Deze uitkomst moet niet worden verward met de eerdere, conventionele WIMP-zoektocht van LZ. Daarin zag de samenwerking geen overschot boven de verwachte achtergrond en werden vooral grenzen gesteld aan de mogelijke wisselwerking van WIMP’s 4. De nieuwe analyse gebruikt een andere strategie en richt zich op hogere energieën.

Waarom één gebeurtenis niet genoeg is

Het grootste obstakel is de statistiek. De globale significantie van het signaal bedraagt ongeveer 2,6 sigma. Dat is interessant genoeg voor nader onderzoek, maar het kan nog steeds gaan om een statistische toevalligheid of een achtergrondproces dat nog niet goed wordt begrepen 9. In de deeltjesfysica geldt doorgaans ongeveer 5 sigma als drempel voor een ontdekking.

Bij slechts één gebeurtenis is het bovendien moeilijk om verschillende verklaringen uit elkaar te houden. Een echte bron van donkere materie zou in vervolgmetingen vergelijkbare gebeurtenissen moeten opleveren, met de verwachte energie, timing en ruimtelijke verdeling. Eerdere anomalieën in de deeltjesfysica verdwenen soms nadat grotere datasets of betere achtergrondmodellen beschikbaar kwamen.

De nauwkeurigste omschrijving is daarom: een mogelijke kandidaat voor donkere materie, geen ontdekking van donkere materie.

Wat zou dit over WIMP’s kunnen zeggen?

Als toekomstige gegevens aantonen dat de gebeurtenis door donkere materie is veroorzaakt, zou het signaal volgens de besproken modellen wijzen op een zware WIMP, waarschijnlijk met een massa van minstens ongeveer 200 GeV/c². Dat is meer dan tweehonderd protonmassa’s 89.

Ook zou de wisselwerking ingewikkelder moeten zijn dan de eenvoudigste standaardbotsing tussen een WIMP en een atoomkern 19. Een bevestiging zou daarom twee grote gevolgen hebben: het zou directe aanwijzingen geven dat ten minste een deel van de donkere materie in de Melkweg uit zware, zwak wisselwerkende deeltjes bestaat én laten zien dat hun interactiemechanisme niet zo eenvoudig is als in veel eerdere zoektochten werd aangenomen.

Hoe kunnen onderzoekers het signaal toetsen?

De belangrijkste test is herhaling. LZ beschikt over aanvullende gegevens en zet het onderzoeksprogramma voort. Als de gebeurtenis deel uitmaakt van een echte populatie donkere-materiedeeltjes, zouden nieuwe metingen een vergelijkbaar overschot moeten laten zien. De statistische significantie zou dan toenemen naarmate zich meer bewijs opstapelt 8.

Tegelijk zullen onderzoekers de toestand van de detector, de reconstructie van de gebeurtenis en mogelijke achtergrondprocessen nauwkeurig blijven controleren. Een alledaagse verklaring zou de interpretatie als donkere materie verzwakken. Een herhaalbaar patroon met de voorspelde terugslageigenschappen zou die interpretatie juist versterken.

Grotere toekomstige detectoren met vloeibaar xenon kunnen de meetbelichting verder vergroten. Over het ongeveer tien keer grotere XLZD-concept is op basis van de beschikbare informatie echter nog geen gedetailleerd ontwerp of bevestigingsschema vastgelegd. Het is daarom te vroeg om precies te voorspellen hoe snel zo’n observatorium deze specifieke interactie zou kunnen bevestigen of uitsluiten.

Niet hetzelfde als de zonneneutrino’s van XENONnT

De LZ-kandidaat staat los van een afzonderlijk resultaat van het XENONnT-experiment. XENONnT rapporteerde een observatie met een significantie van 5 sigma van laagenergetische zonneneutrino’s via neutrino-elektronverstrooiing. Het experiment was gevoelig voor neutrino’s met energieën vanaf ongeveer 17 keV; het signaal werd voornamelijk veroorzaakt door pp-neutrino’s uit de proton-proton-keten die de zon aandrijft .

Het verschil is belangrijk:

• LZ: één onverklaarde, hoogenergetische gebeurtenis die lijkt op een kernterugslag; de significantie ligt onder de ontdekkingsdrempel.
• XENONnT: een ontdekking op 5-sigmaniveau van bekende deeltjes uit het Standaardmodel die in de zon ontstaan.

Samen laten de resultaten zien waarom detectoren met extreem weinig achtergrond zo waardevol zijn. Dezelfde technologie kan zoeken naar zeldzame kernterugslagen door donkere materie, zonneneutrino’s bestuderen en de achtergrondprocessen in kaart brengen waarmee toekomstige donkere-materie-experimenten rekening moeten houden 1.

De kern van de zaak

LZ heeft in 220 dagen aan gegevens uit een hoger energiegebied één overtuigende anomalie gevonden. Die kan passen bij een zware WIMP en een niet-standaardinteractie, maar 2,6 sigma is onvoldoende voor een ontdekking. Meer gegevens van LZ, strengere controles op mogelijke achtergronden en onafhankelijke bevestiging zijn nodig voordat onderzoekers dit signaal als donkere materie kunnen identificeren.