Ein tief unter der Erde vergrabener Detektor hat ein Ereignis aufgezeichnet, das die Forschenden bislang keiner bekannten Ursache zuordnen können.
Das Experiment LUX-ZEPLIN, kurz LZ, sucht direkt nach Teilchen, aus denen die dunkle Materie bestehen könnte. Diese unsichtbare Materie wird aus ihren gravitativen Auswirkungen auf Galaxien und andere Himmelskörper abgeleitet. Ihre Natur ist weiterhin unbekannt, da noch keines der vermuteten Teilchen zweifelsfrei nachgewiesen wurde.
Photomultiplier-Netzwerk des LUX-ZEPLIN-Detektors, entwickelt, um die sehr schwachen Lichtblitze aufzufangen, die im flüssigen Xenon entstehen.
Bildnachweis: Matthew Kapust / Sanford Underground Research Facility
Um eines davon zu erfassen, verwendet LZ etwa 10 Tonnen hochreines flüssiges Xenon. Der Detektor befindet sich fast 1,5 km unter der Erde in South Dakota. Diese Tiefe hält einen großen Teil der aus dem All kommenden Teilchen ab, die falsche Signale erzeugen könnten.
Wenn ein Teilchen auf ein Xenonatom trifft, kann es winzige Lichtemissionen auslösen und Elektronen freisetzen. Die Forschenden analysieren diese Spuren, um ihre Herkunft zu bestimmen. Sie suchen insbesondere nach WIMPs, hypothetischen massereichen Teilchen, die nur äußerst selten mit gewöhnlicher Materie wechselwirken würden.
Die neue Analyse umfasst 220 Messtage zwischen März 2023 und April 2024. Sie untersucht Wechselwirkungen, die mehr Energie deponieren können als die bei früheren Analysen gesuchten. Ein Ereignis sticht hervor: Nach monatelangen Überprüfungen fand das Team keinen bekannten Hintergrund, der es leicht erklären könnte.
Wenn ein WIMP-Teilchen mit einem Xenonatom kollidiert, sendet dieses einen Lichtblitz und Elektronen aus. Das Licht wird oben und unten in der Kammer mit flüssigem Xenon detektiert. Ein elektrisches Feld treibt die Elektronen zum oberen Teil der Kammer, wo sie einen zweiten Lichtblitz erzeugen.
Bildnachweis: Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory
Das Ergebnis erreicht 2,6 Sigma, ein statistisches Maß, mit dem sich abschätzen lässt, wie deutlich sich ein Ergebnis vom bloßen Zufall unterscheidet. In der Teilchenphysik erfordert eine Entdeckung normalerweise 5 Sigma. Nach Angaben des Teams hätten bekannte Hintergrundsignale eine Wahrscheinlichkeit von etwa 0,5 %, ein mindestens ebenso ungewöhnliches Ergebnis zu erzeugen.
Wenn das Ereignis tatsächlich von einem Teilchen der dunklen Materie stammte, hätte dieses wahrscheinlich eine Masse von mehr als etwa dem 200-Fachen der Protonenmasse. Es würde außerdem einem allgemeineren Wechselwirkungstyp entsprechen als den einfachsten Modellen, die LZ gewöhnlich testet. Derzeit bleibt dieses Szenario eine Möglichkeit unter mehreren.
Die Forschenden bleiben besonders vorsichtig, weil ihnen nur ein einziges Ereignis vorliegt. Auch ein seltenes, bislang unzureichend verstandenes Phänomen im Detektor könnte dafür verantwortlich sein. Das Team arbeitet daher an den Kalibrierungen und untersucht mögliche Hintergrundquellen in diesem Energiebereich.
Wie es weitergeht, hängt vor allem von den neuen Daten ab. LZ zeichnet weiterhin Wechselwirkungen in seinem Xenonbehälter auf. Wenn weitere ähnliche Ereignisse auftreten, kann die statistische Aussagekraft des Signals zunehmen. Bleibt es isoliert, könnte seine Bedeutung dagegen mit zunehmender Zahl der Messungen abnehmen.