De LUX-ZEPLIN-detector in South Dakota registreerde op 16 juni 2023 een vreemde gebeurtenis. De kern van een xenonatoom leek een harde tik gekregen te hebben, precies binnen het energiebereik waarin sommige modellen voor donkere materie een signaal verwachten.
Toen leverde dit nog geen mogelijke doorbraak op, maar onderzoekers kijken vaker naar oudere datasets en bij het opnieuw doorspitten van de gegevens naar andere, energierijke vormen van WIMP’s. Daarbij bleef juist deze gebeurtenis overeind. Is hier een donkeremateriedeeltje tegen een xenonkern gebotst? Misschien wel en misschien ook niet.
Het staat niet vast of het inderdaad gaat om donkere materie en het onderzoeksteam van het LUX-ZEPLIN (LZ) experiment spreekt zelf van een ‘intrigerende gebeurtenis’ en dus heel duidelijk niet van een ontdekking. Toch vinden de onderzoekers hun spoor interessant genoeg om het te delen met andere wetenschappers en dat deden ze dan ook op een conferentie in Japan.
We schreven eerder over de speurtocht van het LZ-experiment naar zogenoemde WIMP’s. Dit zouden deeltjes zijn die bijna geen wisselwerking hebben met normale materie en hierdoor zijn ze extreem moeilijk detecteerbaar. Mochten ze bestaan, dan zijn WIMP’s serieuze kandidaten om bouwstenen te zijn voor donkere materie. In ons vorige artikel hadden we het vooral over wat donkere materie niet is. Dat beeld is nu misschien veranderd.
Een flits en maanden twijfel
Het onderzoeksteam onderzocht de data die tussen maart 2023 en april 2024 verzameld werden door de detector. In totaal bestond de dataset uit 220 dagen aan metingen en was deze al onderzocht op relatief simpele vormen van WIMP-botsingen. Bij dit onderzoek werd juist gekeken naar een breder bereik van mogelijke interacties en met meer energie dan gebruikelijk.
In het gebied waar sommige modellen een donkeremateriesignaal verwachten en waar de achtergrondruis heel klein is, kwam een opvallende gebeurtenis naar voren. Rick Gaitskell van Brown University en een van de onderzoekers van het LZ-experiment zegt: “We zijn erg geïntrigeerd door deze waarneming in de gegevens, in de regio waar we verwachten dat donkere materie zich zou moeten manifesteren en waar de concurrerende achtergrondruis zeer laag is.” Hij voegt daar wel aan toe dat “[met] slechts één waarneming willen we niet te ver vooruitlopen. We beweren niet dat we donkere materie hebben waargenomen. Maar we hebben wel iets interessants gezien dat we met de wetenschappelijke gemeenschap willen delen om hun mening hierover te horen.”
Voorzichtigheid is bij zulke studies altijd belangrijk, ook bij zulk gedetailleerd onderzoek. Het team onderzocht verschillende achtergrondprocessen en effecten van de detector zelf in een gebied dat binnen die dataset nog niet was verkend. Niets daarvan kon als waarschijnlijke verklaring voor de gebeurtenis worden aangewezen. “We hebben maandenlang extra inspanningen geleverd om alle mogelijke oorzaken van achtergrondgebeurtenissen te begrijpen”, zegt hoofdauteur van de studie Sam Eriksen. “We begrijpen onze detector en de achtergrond zo goed dat zelfs één enkele opvallende gebeurtenis, zoals die we hebben gevonden, belangrijk is. We verwachten dat gebeurtenissen met donkere materie uiterst zeldzaam zijn, dus slechts een handvol zou de eerste detectie van WIMP-donkere materie kunnen betekenen.”
Een grote maar
Het onderzoek is statistisch niet sterk. De opvallendste modellen komen lokaal uit op een significantie van 3,4 sigma. De onderzoekers keken naar in totaal 616 verschillende donkeremateriemodellen. Hoe vaker je iets probeert, hoe groter de kans is dat ergens iets opvallends opduikt. Dit is het ‘look-elsewhere-effect’. Nadat daarvoor was gecorrigeerd, bleef een globale significantie van 2,6 sigma over. Interessant, maar binnen de deeltjesfysica wil men doorgaans 5 sigma als grens om iets een ontdekking te noemen.
Ook is er iets met de aard van het signaal: als de gebeurtenis inderdaad door een WIMP werd veroorzaakt, dan zou het deeltje een massa van 200 gigaelektronvolt hebben gehad. Dat is 200 keer de massa van een proton. Dat wijst weer op een andere interactie tussen WIMP’s en gewone materie. Is er niet iets over het hoofd gezien?
Dat brengt ons bij een belangrijke zaak, namelijk op dit moment is er nog geen peer-review van het onderzoek geweest. De paper is al wel te vinden op het platform arXiv en is ingestuurd naar het vakblad Physical Review Letters en werd op 1 september gepresenteerd op de TeV Particle Astrophysics-conferentie in Japan. Met andere woorden: een ‘veelbelovende aanwijzing’, maar geen doorbraak.
Niet de eerste keer
Vorig jaar meldden we de claim van de Japanse astronoom Tomonori Totani. Hij zag in metingen van de Fermi-ruimtetelescoop een mogelijk spoor van zichzelf vernietigende WIMP’s. Toen schreven we ook al dat er ‘vervolgonderzoek nodig is’ voordat echt conclusies getrokken kunnen worden.
Het verschil met Tomonori is dat het toen ging om een indirecte aanwijzing terwijl LZ een directe waarneming deed. De waarneming vond plaats in een tank met ultrazuiver vloeibaar xenon speciaal gebouwd voor het detecteren van dit soort deeltjes.
En nu?
Het LZ-experiment loopt nog tot minstens 2028. Zien we in de toekomst vergelijkbare waarnemingen? Dan groeit de statistische zekerheid, zeker als die gebeurtenissen eenzelfde patroon volgen. Blijft het bij deze ene flits? Dan verdwijnt die vermoedelijk in naar de achtergrond, zoals zoveel van dit soort ‘aanwijzingen’ in het onderzoek naar donkere materie of dark matter.
Nicole Bell, theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Melbourne en niet betrokken bij het onderzoek, vat het zo samen: “een interessante waarneming”, maar dat het nog “heel vroeg” is.
„Als het echt donkere materie is, zullen we binnenkort meer voorvallen zien, en dat zou een enorme doorbraak zijn,” aldus Bell.
