Eén xenonbotsing maakt nog geen ontdekking van donkere materie

LUX-ZEPLIN (LZ) heeft één ongebruikelijke interactie gemeld in zijn detector met vloeibaar xenon, diep onder de grond in de Sanford Underground Research Facility in de Amerikaanse staat South Dakota. De gebeurtenis werd geregistreerd op 16 juni 2023 en is verenigbaar met een terugslag van een xenonkern van 248 ± 23 keV (statistisch) ± 23 keV (systematisch). Dat ligt dicht bij de bovengrens van het uitgebreide zoekvenster van LZ. De samenwerking trof het signaal aan in een gebied waar haar model weinig achtergrondgebeurtenissen voorspelt.

Dat maakt de waarneming wetenschappelijk spannend, maar niet doorslaggevend. LZ komt, na correctie voor het testen van meerdere modellen, uit op een globale significantie van 2,6σ. De hoogste lokale, modelafhankelijke significantie was 3,4σ.

Wat LZ precies zag

LZ zoekt naar interacties die xenonkernen een meetbare terugslag geven. Voor deze analyse gebruikte het experiment 2,84 tonjaar aan blootstelling en breidde het de zoektocht naar kernterugslagen uit tot ongeveer 270 keV. Dat is hoger dan het bereik waarop veel conventionele zoektochten naar WIMP's — hypothetische zwak wisselwerkende zware deeltjes — zich richten.

Nadat de selectiecriteria waren toegepast en kunstmatig toegevoegde testgebeurtenissen waren verwijderd, bleef één opvallende gebeurtenis in de kernterugslagband over. LZ noemt die LZ230616. De gemeten licht- en ladingssignalen passen bij een elastische xenon-kernterugslag van 248 keV.

De gereconstrueerde locatie lag ruim binnen de detector: circa 26,4 cm boven de kathode en 26,9 cm van de wand van de tijdprojectiekamer (TPC). Dat is relevant, omdat gebeurtenissen aan de rand van de detector lastiger betrouwbaar te reconstrueren kunnen zijn.

Waarom een kernterugslag relevant is

Een deeltje dat tegen een xenonkern botst, is precies het soort signatuur waar directe experimenten naar donkere materie op zoeken. De ongebruikelijk hoge terugslagenergie is vooral interessant voor modellen waarin hoge-energetische terugslagen relatief vaker voorkomen dan bij de standaardaanname van spinonafhankelijke WIMP-verstrooiing.

LZ ontwierp deze uitgebreide energieanalyse onder meer voor effectieve-veldtheoriemodellen en modellen met inelastische donkere materie. Die kunnen een groter aandeel terugslagen met hoge energie opleveren. De gebeurtenis heeft daarom theoretische voorstellen over verschillende niet-standaardinteracties van donkere materie uitgelokt. Dat zijn echter mogelijke verklaringen, geen bewijs dat een van die modellen klopt. 1

Een minstens even belangrijke mogelijkheid is dat het signaal voortkomt uit een zeldzame of onvolledig gemodelleerde achtergrond. Met één kandidaat kun je een nieuw deeltje niet onderscheiden van een statistische uitschieter, een onbekend effect in de detector of een omgevingsproces.

Waarom dit geen ontdekking is

De belangrijkste beperking is eenvoudig: er is maar één gebeurtenis.

LZ rapporteert een globale spanning van 2,6σ met de hypothese dat uitsluitend achtergrondprocessen verantwoordelijk zijn, inclusief het zogeheten look-elsewhere-effect. Dat is ruim onder de ongeveer 5σ die in de deeltjesfysica doorgaans nodig is om van een ontdekking te spreken.

Ook het verschil tussen lokale en globale significantie telt. Voor een specifiek model van donkere materie kan de gebeurtenis op één plek in de parameterruimte opvallender lijken, met maximaal 3,4σ lokale significantie. Maar de analyse bekeek meerdere modellen; de globale waarde corrigeert voor de kans dat ergens in die reeks tests een schijnbaar overschot opduikt.

De samenwerking omschrijft de hoogenergieanalyse bovendien als niet-blind. Dat maakt de waarneming niet ongeldig, maar vergroot het belang van een onafhankelijke vervolgstudie die vooraf is vastgelegd. Daarbij moeten selectiecriteria en achtergrondtests worden bepaald vóór onderzoekers het relevante signaalgebied in nieuwe data openen.

Waarom kunstmatige gebeurtenissen nuttig zijn

LZ gebruikt kunstmatige, signaalachtige gebeurtenissen — vaak aangeduid als salt — om te verkleinen dat onderzoekers onbewust een analyse afstemmen op een mogelijke kandidaat. Voor deze hoogenergiesearch maakte de samenwerking ook nagebootste toevallige gebeurtenissen. Die ontstonden door afzonderlijke golfvormen van prompt licht (S1) en ladingssignalen (S2) te combineren, zodat kon worden getest hoe de selectiecriteria omgaan met toevallige achtergronden.

Deze controles bewijzen niet dat LZ230616 donkere materie is. Ze zijn vooral methodologisch waardevol: ze toetsen of de selectieprocedure achtergrondachtige toevalligheden afwijst zoals verwacht en helpen te voorkomen dat keuzes worden toegespitst op één echte uitschieter.

Wat de anomalie tot bewijs zou maken

De doorslaggevende test is herhaling in onafhankelijke data, met een vooraf vastgelegde analyse. Als een model voor donkere materie LZ230616 verklaart, moet het niet alleen nog een losse gebeurtenis voorspellen, maar ook een toetsbare snelheid en energieverdeling van terugslagen naarmate de verzamelde blootstelling groter wordt.

Voor een overtuigende zaak moeten meerdere zaken samenkomen:

• extra hoogenergetische kandidaten voor kernterugslagen in nieuwe LZ-data;
• een energiespectrum en gebeurtenissnelheid die passen bij één fysisch interactiemodel;
• aanhoudend betrouwbare detector- en achtergrondcontroles; en
• verenigbare resultaten van onafhankelijke experimenten.

Blijft een passende populatie gebeurtenissen uit, dan verzwakt dat de interpretatie als donkere materie. Wordt een specifieke zeldzame achtergrondbron gevonden, dan ligt een meer alledaagse verklaring voor de hand.

Hoe XENONnT en PandaX-4T dit kunnen toetsen

XENONnT en PandaX-4T zijn eveneens tijdprojectiekamers met vloeibaar xenon. Daardoor zijn ze een belangrijke onafhankelijke test voor de verklaring dat een deeltje op xenon verstrooit. Een zinvolle vergelijking vereist analyses die het relevante hoge terugslagenergiebereik omvatten én gevoelig genoeg zijn voor de snelheid die een voorgesteld model impliceert.

Bevestiging betekent niet simpelweg dat elders ook één onverklaarde gebeurtenis verschijnt. De experimenten zouden onderling consistente terugslagenergieën, snelheden en interactieparameters moeten meten. Omgekeerd kunnen voldoende gevoelige nulresultaten in hetzelfde hoge energiebereik de parameterruimte uitsluiten die nodig is om LZ230616 als donkere materie te verklaren.

Bestaande resultaten van PandaX-4T lieten geen significant overschot aan kernterugslagen zien in een venster van ongeveer 5 tot 100 keV. Dat bereik ligt echter onder de gereconstrueerde energie van 248 keV voor LZ230616. Die resultaten toetsen deze specifieke hoogenergetische kandidaat dus niet rechtstreeks.

De kern van de zaak

LZ heeft zijn sterkste aanwijzing voor donkere materie bij hoge energie tot nu toe gemeld: één goed gereconstrueerde gebeurtenis in een gebied met weinig verwachte achtergrond, verenigbaar met een xenon-kernterugslag van 248 keV. De waarneming verdient nauwkeurig vervolgonderzoek, omdat zoektochten naar terugslagen met hoge energie scenario's van donkere materie kunnen bereiken waarvoor standaardzoektochten minder gevoelig zijn.

Maar het bewijs is nog voorlopig. Met één gebeurtenis en een globale significantie van 2,6σ is dit een anomalie die moet worden getest — geen detectie van donkere materie.