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Hat der LZ-Detektor endlich Dunkle Materie entdeckt?
Ein einzelner hochenergetischer Kernrückstoß im LUX-ZEPLIN-Detektor passt zu mehreren Modellen schwerer Dunkle-Materie-Teilchen und liegt in einem Energiebereich mit sehr wenig erwartetem Hintergrund. Nach Korrektur für die vielen getesteten Modelle erreicht das Ereignis jedoch nur 2,6 Sigma. Der Fund ist damit ein auffälliger Kandidat, aber kein Nachweis Dunkler Materie.
Berkeley (U.S.A.). Dunkle Materie verrät sich bislang nur durch ihre Schwerkraft und macht nach astronomischen Beobachtungen rund 85 Prozent der Materie im Universum aus. Direkte Suchversuche zielen deshalb auf extrem seltene Zusammenstöße möglicher Dunkle-Materie-Teilchen mit gewöhnlicher Materie. LUX-ZEPLIN (LZ) nutzt dafür flüssiges Xenon tief unter der Erde im Sanford Underground Research Facility (SURF) in South Dakota.
Bei einer Kollision kann ein Xenonkern zurückgestoßen werden. Dabei entstehen zwei Lichtsignale, aus deren Stärke und Verhältnis sich Art und Energie des Ereignisses abschätzen lassen. Die meisten WIMP-Suchen konzentrieren sich auf vergleichsweise niedrige Rückstoßenergien. Komplexere Wechselwirkungen können dagegen auch deutlich energiereichere Kernrückstöße erzeugen.
Forscher der University of Bristol um Sam Eriksen haben deshalb bereits erhobene LZ-Daten in einem erweiterten Energiefenster erneut untersucht. Eriksen ist in der wissenschaftlichen Primärfassung als Korrespondenzautor ausgewiesen. Die noch nicht fachbegutachtete Arbeit wertet 220 Messtage zwischen dem 27. März 2023 und dem 1. April 2024 aus, entsprechend einer Exposition von 2,84 Tonnenjahren.
Das Team erweiterte die Suche auf Kernrückstöße von 5,4 bis etwa 270 Kiloelektronenvolt. Getestet wurden unterschiedliche Wechselwirkungsmodelle aus einer nichtrelativistischen effektiven Feldtheorie sowie inelastische Streuprozesse. Die Auswertung gilt als nicht verblindet, weil künstlich eingefügte Testereignisse den hohen Energiebereich nicht ausreichend abdeckten. Die Auswahlregeln und Likelihood-Modelle waren jedoch festgelegt, bevor die verbliebenen Testereignisse offengelegt wurden.
Nach allen Auswahlkriterien blieb ein Ereignis besonders auffällig. Es wurde am 16. Juni 2023 registriert und ist mit einem elastischen Kernrückstoß von 248 plus oder minus 23 Kiloelektronenvolt statistischer und zusätzlich 23 Kiloelektronenvolt systematischer Unsicherheit vereinbar. Seine Signale liegen im Bereich erwarteter Kernrückstöße und deutlich entfernt vom typischen Band elektronischer Rückstöße.
Die Forscher prüften unter anderem zufällige Signalüberlagerungen, Neutrinos, radioaktive Zerfälle, Neutronen und seltene Detektoreffekte. Keiner dieser untersuchten Prozesse erwies sich in der Primärfassung als wahrscheinliche Erklärung. Besonders energiereiche Neutronen müssten zudem typischerweise weitere Rückstöße bei niedrigeren Energien erzeugen, die in dieser Form nicht beobachtet wurden.
„Ausreißer in den Daten sind nicht unerwartet, doch bei genauerer Prüfung erweisen sie sich normalerweise als eine Art Hintergrundsignal“, sagt Aaron Manalaysay vom Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).
Vollständig ausschließen lässt sich ein seltener Hintergrund damit nicht. Für das auffällige Ereignis konnte beispielsweise eine Radon-Markierung nicht angewendet werden, weil der Detektor zu diesem Zeitpunkt in einem gemischten Strömungszustand betrieben wurde. Außerdem enthält die statistische Auswertung keine systematische Unsicherheit für den äußersten Rand bestimmter Elektroneneinfang-Hintergründe.
Für zahlreiche getestete Dunkle-Materie-Modelle erzeugt das Ereignis lokal eine Abweichung von mehr als drei Sigma vom Hintergrund. Das Maximum liegt bei 3,4 Sigma. Weil die Forscher jedoch viele verschiedene Modelle und Massenbereiche geprüft haben, korrigierten sie für diesen sogenannten Look-elsewhere-Effekt. Danach verbleibt eine globale Signifikanz von 2,6 Sigma.