Een gammastraallijn van 43 GeV kan op donkere materie wijzen — maar bewijs is het nog niet

Een team onder leiding van onderzoekers die verbonden zijn aan de Chinese Academy of Sciences meldt een smalle overmaat aan gammastraling rond 43,2 giga-elektronvolt (GeV). De onderzoekers analyseerden daarvoor 15,5 jaar aan openbaar beschikbare gegevens van de Large Area Telescope (LAT) aan boord van NASA’s Fermi-ruimtetelescoop. Ze bekeken de richtingen van 13 nabije, zware clusters van sterrenstelsels. De sterkste bijdrage kwam van Virgo, Fornax en Ophiuchus. 18

Dat is potentieel belangrijk omdat een smalle gammastraallijn tot de meest herkenbare indirecte signalen behoort die sommige modellen voor donkere materie voorspellen. Toch gaat het vooralsnog om een kandidaat-signaal dat onafhankelijk moet worden gecontroleerd — niet om een vastgestelde ontdekking.

Wat hebben de onderzoekers precies gemeld?

De onderzoekers gebruikten een zogeheten stackinganalyse: ze combineerden waarnemingen uit de richtingen van meerdere clusters om de gevoeligheid voor een zwak gemeenschappelijk signaal te vergroten. De lijnachtige structuur concentreert zich rond 43,2 GeV en blijft zichtbaar wanneer de andere clusters aan de analyse worden toegevoegd. Virgo, Fornax en Ophiuchus leveren echter het grootste deel van de bijdrage, omdat daar volgens de modellen het sterkste verwachte signaal van donkere materie vandaan zou komen. 18

Voor deze drie clusters samen rapporteren de onderzoekers een teststatistiek van ongeveer 30. Dat beschrijft hoe sterk de afwijking binnen hun analyse is. Het getal mag niet automatisch worden gelezen als de definitieve, voor meerdere zoekpogingen gecorrigeerde significantie van een ontdekking. 18

Waarom zou een scherpe lijn bij WIMP-annihilatie passen?

WIMP staat voor weakly interacting massive particle: een hypothetisch zwaar deeltje dat slechts zeer zwak met gewone materie wisselwerkt en een mogelijke kandidaat voor donkere materie is.

In een bijzonder onderscheidend annihilatiekanaal zouden twee WIMP’s rechtstreeks twee fotonen kunnen produceren. Bewegen de deeltjes relatief langzaam ten opzichte van de lichtsnelheid, dan dragen die fotonen vrijwel dezelfde energie. In een spectrum ontstaat dan een smalle lijn.

Dat ziet er anders uit dan de brede gammastralingsspectra die meestal ontstaan bij interacties van kosmische straling of bij veel gewone astrofysische versnellers. Een lijn die bovendien op de juiste plaatsen, bij de juiste energie en met de verwachte ruimtelijke verdeling verschijnt, zou daarom uitzonderlijk sterke indirecte aanwijzingen voor donkere materie opleveren.

De energie van de lijn bepaalt op zichzelf niet automatisch de massa van het donkere-materiedeeltje. Dat verband hangt af van het gekozen annihilatiekanaal en van het onderliggende model. Een fotonenpiek bij 43,2 GeV is dus een aanwijzing voor een mogelijk proces, geen zelfstandige massameting van een WIMP.

Daarom noemen onderzoekers een bevestigde gammastraallijn soms een mogelijke “smoking gun” — een doorslaggevende aanwijzing. Die omschrijving verwijst naar de kenmerkende vorm van het signaal, niet naar het feit dat de huidige uitkomst al definitief zou zijn.

Hoe is gecontroleerd op instrumentele fouten?

De analyse maakte gebruik van Fermi-LAT Pass 8-gegevens. De onderzoekers onderzochten daarnaast controlesamples en instrumentele variabelen om te kijken of een vergelijkbare structuur ook verscheen op plaatsen waar geen clustergerelateerd signaal verwacht werd. Volgens de auteurs leverden die controles geen duidelijke door de detector veroorzaakte lijn rond 43 GeV op. 23

Dat is een nuttige controle, maar sluit niet elke systematische fout uit. Onder meer kalibratie, de reconstructie van energieën, het modelleren van de blootstelling, de selectie van gebeurtenissen en onvolmaakte modellen van diffuse of puntvormige bronnen kunnen een zoektocht naar lijnen beïnvloeden. Een signaal dat in één analyse overeind blijft, kan verdwijnen wanneer dezelfde gegevens opnieuw worden verwerkt of met een andere methode worden onderzocht.

Waarom blijft voorzichtigheid geboden?

Er zijn verschillende redenen om de claim voorlopig terughoudend te formuleren:

• Het signaal is niet volledig nieuw. In eerder Fermi-onderzoek werd al een voorlopig signaal rond 43 GeV in nabije clusters gemeld. Een latere analyse van 11,4 jaar aan Fermi-LAT-gegevens vond echter geen statistisch significante lijn. De aanwijzing werd bovendien veel zwakker wanneer een specifiek type gebeurtenis buiten beschouwing werd gelaten. 19 22
• De uitkomst steunt op één instrument en een geselecteerde groep doelwitten. Stacking kan de gevoeligheid vergroten, maar maakt het resultaat ook afhankelijk van de keuze van de clusters, de modellering ervan en de manier waarop achtergronden per cluster worden behandeld.
• De voorspelling voor donkere materie is modelafhankelijk. Het verwachte signaal hangt onder meer af van de dichtheidsprofielen van donkere materie in de clusters, mogelijke substructuren, het annihilatiekanaal en de annihilatiesnelheid.
• Een lijnachtige fluctuatie blijft mogelijk. Een statistische toevalligheid, astrofysische emissie of een nog niet herkende fout in de analyse kan eveneens een smalle piek nabootsen.

De meest zorgvuldige omschrijving is daarom: een kandidaat-gammastraallijn die verenigbaar is met een interpretatie in termen van donkere materie. Het is geen bewijs dat WIMP’s zijn geïdentificeerd.

Hoe verhoudt dit resultaat zich tot de gemelde halo van 20 GeV?

De clusteranalyse staat los van een andere recente Fermi-analyse van Tomonori Totani. Hij onderzocht ongeveer 15 jaar aan Fermi-LAT-waarnemingen en rapporteerde een brede, haloachtige overmaat rond het centrum van de Melkweg, met een piek bij ongeveer 20 GeV. Volgens die analyse zouden de vorm en het spectrum bij annihilatie van donkere materie kunnen passen. 1

De twee claims gaan over verschillende waarnemingen:

• De clusteranalyse betreft een smalle lijn rond 43,2 GeV in de richting van extragalactische clusters.
• De analyse van Totani betreft een brede overmaat in de galactische halo rond 20 GeV.

Het ene resultaat bevestigt het andere dus niet rechtstreeks. Eén WIMP-model zou beide energieën, ruimtelijke patronen en eventuele bijkomende signalen consistent moeten verklaren. Een afzonderlijke analyse stelde bovendien dat de interpretatie van de 20-GeV-overmaat als donkere materie een antiprotonenflux kan voorspellen die hoger ligt dan de metingen van AMS-02. Dat illustreert waarom mogelijke gammastraalsignalen ook met andere soorten waarnemingen moeten worden getoetst. 2

Ook wanneer een analyse donkere materie als bron van een centrale gammastraling niet kan uitsluiten, is dat nog geen positieve identificatie. Als niet kan worden onderscheiden tussen donkere materie en alternatieven — zoals onopgeloste pulsars of fouten in de modellering van diffuse emissie — spreken we van niet-uitsluiting, niet van een detectie.

Welke waarnemingen kunnen de claim bevestigen of ontkrachten?

De volgende tests moeten het signaal zo moeilijk mogelijk na te bootsen maken voor een artefact of een te flexibel achtergrondmodel.

Meer gegevens van Fermi-LAT

Extra waarnemingen kunnen laten zien of de overmaat groeit zoals op basis van de toenemende hoeveelheid gegevens wordt verwacht. Onderzoekers kunnen ook nagaan of de lijn stabiel blijft bij verschillende gebeurtenisklassen, invalshoeken, tijdvakken, keuzes voor energie-reconstructie en onafhankelijk samengestelde groepen van clusters en controlesamples.

Een echt kosmisch signaal zou bij dezelfde energie moeten terugkeren en niet sterk afhankelijk mogen zijn van één detectorconfiguratie of een zeer specifieke selectie van gegevens.

Onafhankelijke gammastraalobservatoria

Een bevestiging door een ander instrument met voldoende energie-resolutie zou bijzonder waardevol zijn. Ruimteobservatoria zoals DAMPE, en toekomstige of aanvullende grondgebonden gammastraalfaciliteiten waar het energiebereik geschikt is, kunnen dezelfde clusters onderzoeken op een lijn rond 43 GeV.

De overtuigendste bevestiging zou drie elementen combineren: dezelfde energie, dezelfde clusters en een hoekverdeling die overeenkomt met het voorspelde profiel van donkere materie. Een niet-detectie bij voldoende gevoeligheid zou de interpretatie juist onder druk zetten of beperkingen opleggen aan de voorgestelde annihilatiesnelheid.

Aanvullende deeltjes- en astrofysische zoektochten

Onderzoekers moeten de clusterclaim ook vergelijken met gammastraalmetingen van dwergstelsels, andere annihilatiekanalen, kosmische straling en beperkingen uit de kosmologie en de deeltjesfysica. Een model voor donkere materie mag niet één overmaat verklaren terwijl het elders onvermijdelijke tegenstrijdigheden veroorzaakt.

Een andere aanpak: donkere materie zoeken met qubits

Voorstellen waarbij onderzoekers van de Universiteit van Tokio supergeleidende qubits gebruiken, richten zich op een heel ander deel van de parameter­ruimte. Ze zoeken niet naar GeV-schaal-fotonen van WIMP-annihilatie, maar naar ultralichte, golfachtige kandidaten zoals verborgen fotonen en axionen.

Een veld van verborgen fotonen kan een extreem zwak, oscillerend elektrisch veld veroorzaken. Dat veld kan een supergeleidende transmon-qubit aanslaan wanneer de resonantiefrequentie van de qubit overeenkomt met die van het veld. In een axionexperiment kan een aangelegd magnetisch veld het axionveld omzetten in een oscillerend elektrisch signaal dat de qubit eveneens kan exciteren. 33 36

Een hoogwaardige microgolfholte kan de interactie versterken door het elektromagnetische veld op te slaan. Verstrengelde qubits en fasegevoelige metingen kunnen het signaal vervolgens coherent opstapelen of de snelheid waarmee verschillende frequenties worden gescand verbeteren. Voor zulke kwantuminterferentieschema’s zijn voordelen in de signaalsnelheid voorgesteld die gunstiger schalen met het aantal qubits dan het simpelweg optellen van onafhankelijke sensoren. 34 37

De grootste praktische hindernis is decoherentie: het verlies van de delicate kwantumfase. Thermische fotonen, verliezen in de holte, besturingsfouten, onvolmaakte voorbereiding van verstrengelde toestanden en ruis bij het uitlezen kunnen de kwantumvoorsprong tenietdoen.

Een werkend experiment zou daarom extreem koude en goed afgeschermde holtes, langlevende qubits, zorgvuldig gekalibreerde elektromagnetische omgevingen, herhaalde coherente metingen en robuuste foutbeperking nodig hebben.

Deze qubit-en-holtesystemen zijn veelbelovende detectiemethoden, geen aanwijzing dat golfachtige donkere materie al is waargenomen. Ze laten wel zien waarom onderzoekers verschillende technieken inzetten: een gammastraallijn, een qubit-excitatie en een signaal in kosmische straling zouden elk andere kandidaten en fysische mechanismen onderzoeken.

De kern van de zaak

De Chinees geleide Fermi-analyse meldt een intrigerende, lijnachtige structuur rond 43,2 GeV in de richting van nabije clusters van sterrenstelsels, vooral Virgo, Fornax en Ophiuchus. De smalle vorm is theoretisch interessant omdat directe annihilatie van WIMP’s in fotonen een vergelijkbaar scherp signaal kan opleveren. 18

Maar eerdere, voorlopige gammastraallijnen zijn niet altijd standgehouden — en een eerdere analyse bevestigde een verwant signaal rond 43 GeV niet. Daarom moet deze uitkomst worden behandeld als een hypothese die om herhaling vraagt. Meer Fermi-gegevens, onafhankelijke instrumenten, alternatieve achtergrondmodellen en aanvullende zoektochten zullen moeten uitwijzen of dit een zeldzame blik op donkere materie is of opnieuw een overtuigend ogende structuur in een bijzonder lastige dataset.