Eén afwijkende botsing houdt zoektocht naar donkere materie spannend

LUX-ZEPLIN (LZ) heeft niet donkere materie ontdekt. De ondergrondse detector in South Dakota zag wel één uitzonderlijk event dat moeilijk te verklaren is met de bekende achtergrondprocessen. Het is het interessantste mogelijke signaal dat LZ tot dusver rapporteerde, maar één waarneming met een globale significantie van 2,6σ is geen bewijs voor een nieuw deeltje. 17

Wat heeft LZ precies gezien?

LZ analyseerde 220 live dagen aan data, verzameld van maart 2023 tot april 2024. Voor deze analyse breidde de samenwerking het venster voor nucleaire terugslagenergie uit tot ongeveer 270 keV. Daarmee zochten de onderzoekers naar minder standaardachtige WIMP-modellen — hypothetische zwak wisselwerkende zware deeltjes — die juist relatief energierijke terugslagen kunnen veroorzaken. 17

In een blootstelling van 2,84 tonjaar werd één event gevonden dat overeenkomt met een terugslag van een xenonkern van ongeveer 248 keV. Die viel in een gebied waar volgens de modellen weinig conventionele achtergrond wordt verwacht.

De hoogste lokale afwijking in de geteste modellen is 3,4σ. Na correctie voor het feit dat onderzoekers meerdere modellen en mogelijkheden hebben bekeken — het zogeheten look-elsewhere effect — blijft een globale significantie van 2,6σ over. Onder de hypothese van alleen bekende achtergrond komt zo'n afwijking ruwweg met een kans van 0,5% voor.

Waarom dit nog geen ontdekking is

In de deeltjesfysica is 5σ de gebruikelijke drempel voor een ontdekking. Dat is geen formaliteit: bij zeldzame signalen kunnen statistische uitschieters en onbekende, zeer zeldzame achtergrondprocessen verrassend overtuigend lijken.

Eén event kan daarom niet laten zien of er werkelijk een herhaalbaar patroon bestaat. Het kan een statistische fluctuatie zijn, maar ook een achtergrondtype dat nog niet goed genoeg in het LZ-model zit. De samenwerking benadrukt zelf dat afwijkende gebeurtenissen in dit soort experimenten uiteindelijk vaak een gewone, maar eerder gemiste achtergrondverklaring blijken te hebben. 17

Een mogelijke zware WIMP — of toch een onbekende achtergrond

Als het event door een conventioneel verstrooiende WIMP is veroorzaakt, wijst de interpretatie volgens LZ op een relatief zwaar deeltje: ten minste ongeveer 200 GeV/c², dus meer dan tweehonderd keer de massa van een proton. Ook zou de wisselwerking ingewikkelder moeten zijn dan het eenvoudigste, spin-onafhankelijke WIMP-model. 17

Dat is nadrukkelijk slechts één mogelijke uitleg. De concurrerende verklaring is dat er een zeldzame achtergrondtopologie bestaat die nog niet in voldoende detail is gemodelleerd. LZ heeft verschillende mogelijke achtergronden onderzocht, maar een enkel onverklaard event is onvoldoende om nieuwe fysica boven die mogelijkheid te verkiezen. 17

Meer data moet het verschil maken

LZ verzamelt verder data richting 1.000 live dagen en beschikt al over een grotere dataset dan die in deze analyse. Als het event een echte WIMP-populatie weerspiegelt, zouden meer gebeurtenissen moeten verschijnen met een samenhangende energie- en ruimtelijke verdeling. Blijft dat patroon uit, dan wordt een fluctuatie of een gemiste achtergrondverklaring waarschijnlijker. 17

Ook de voorgestelde opvolger XLZD, voorzien voor het midden van de jaren 2030, kan doorslaggevend worden. Die zou een xenondoelwit hebben dat grofweg een orde van grootte groter is dan de huidige detectoren. Daardoor kan het experiment veel meer blootstelling opbouwen en achtergronden beter scheiden van een werkelijk signaal. XLZD zou een blijvend signaal van zware WIMPs scherp kunnen testen — of zulke verklaringen tot veel kleinere wisselwerkingskansen kunnen uitsluiten. 12

Los resultaat: XENONnT ziet zonneneutrino’s

Het LZ-event staat los van een afzonderlijk resultaat van XENONnT, een xenondetector in het Gran Sasso-laboratorium in Italië. XENONnT rapporteerde een waarneming met 5σ van laagenergetische zonneneutrino’s via elastische verstrooiing op elektronen. Het signaal wordt vooral gedragen door pp-neutrino’s uit de proton-protonreacties die de Zon van energie voorzien. De meting reikt tot neutrino-energieën van ongeveer 17 keV, de laagste gerapporteerde drempel voor directe neutrino-detectie. 69

In 2024 meldde XENONnT al een eerste meting van boor-8-zonneneutrino’s via coherente elastische neutrino-kernverstrooiing, meestal afgekort als CEνNS. Daarbij krijgt juist de kern van een xenonatoom een kleine terugslag — hetzelfde soort signatuur waarop WIMP-zoektochten letten. In die analyse werden 37 events waargenomen, tegenover een achtergrondverwachting van ongeveer 26,4; de achtergrond-alleenhypothese werd verworpen met 2,73σ. 311

Samen laten LZ en XENONnT zien dat ultrazuivere xenon-tijdprojectiekamers meer worden dan alleen detectoren voor donkere materie. Ze zoeken naar WIMPs, meten zonneneutrino’s via zowel elektronen als atoomkernen, toetsen neutrino-interacties en verbeteren de achtergrondbeheersing die nodig is wanneer toekomstige experimenten de zogeheten neutrino-'mist' naderen. 179