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Hat der LZ-Detektor tatsächlich Dunkle Materie entdeckt?
Ein einzelner hochenergetischer Kernrückstoß im LUX-ZEPLIN-Detektor hat eine neue Debatte über die Natur der Dunklen Materie ausgelöst. Mehrere Preprints zeigen nun, dass ein klassischer thermischer Higgsino die Beobachtung nur schwer mit anderen Messungen vereinbaren kann. Schwerere Higgsinos und alternative inelastische Teilchenmodelle bleiben jedoch im Rennen.
Berkeley (U.S.A.). Der LUX-ZEPLIN-Detektor (LZ) hat in 2,84 Tonnenjahren Messzeit einen auffälligen Kernrückstoß registriert. Das Ereignis entspricht einer Rückstoßenergie von 248 plus oder minus 23 Kiloelektronenvolt statistischer und zusätzlich 23 Kiloelektronenvolt systematischer Unsicherheit. Nach Berücksichtigung des Look-elsewhere-Effekts erreicht die Abweichung vom erwarteten Hintergrund 2,6 Sigma und ist damit weit von einem Nachweis Dunkler Materie entfernt.
Gerade die hohe Energie macht den Fund dennoch ungewöhnlich. Gewöhnliche elastische WIMP-Streuung würde typischerweise zusätzlich viele Rückstöße bei niedrigeren Energien erzeugen, die LZ nicht beobachtet hat. Inelastische Dunkle Materie kann dieses Muster dagegen natürlicher hervorbringen, weil ein einfallendes Teilchen beim Stoß in einen etwas schwereren Zustand wechseln muss und dafür eine Mindestenergie benötigt.
Eine besonders konkrete Möglichkeit ist das Higgsino, der supersymmetrische Partner des Higgs-Bosons. In nahezu reiner Form besitzt es zwei neutrale Zustände mit leicht unterschiedlicher Masse. Beim Stoß mit einem Xenonkern kann der leichtere Zustand in den schwereren übergehen, wodurch niedrige Rückstoßenergien unterdrückt werden.
Katherine Freese und Dionysios P. Theodosopoulos zeigten kurz nach der LZ-Meldung, dass ein Higgsino mit einer Masse um ein Teraelektronenvolt und einer Massendifferenz von ungefähr 350 Kiloelektronenvolt an den von LZ bevorzugten Bereich herankommt. Eine unabhängige Analyse von Nicholas L. Rodd und Kollegen fand für ein thermisches Higgsino von etwa 1,1 Teraelektronenvolt je nach angenommener Geschwindigkeitsverteilung der Dunklen Materie passende Massendifferenzen von ungefähr 370 bis 490 Kiloelektronenvolt.
Das ist theoretisch interessant, weil ein Higgsino von rund 1,1 Teraelektronenvolt bei gewöhnlicher thermischer Entstehung im frühen Universum ungefähr die heute beobachtete Menge Dunkler Materie liefern kann. Die Deutung wäre deshalb deutlich weniger frei einstellbar als viele speziell konstruierte Modelle.
Genau diese Vorhersagekraft schafft aber Probleme. Maxim Pospelov und Harikrishnan Ramani berechneten, dass Higgsinos von der Sonne eingefangen werden können. Dort würden sie sich ansammeln, miteinander annihilieren und energiereiche Neutrinos erzeugen. Aus dem Ausbleiben eines entsprechenden Überschusses in IceCube leiten sie für das thermische Higgsino eine Massendifferenz von mehr als 566 Kiloelektronenvolt ab. Das liegt oberhalb des Bereichs, der das LZ-Ereignis in ihrem Modell erklären soll.
Thong T.Q. Nguyen, Tim Linden und Dan Hooper haben diesen Test auf allgemeinere inelastische Modelle erweitert. Für einen thermischen Higgsino von 1,1 Teraelektronenvolt überschreitet ihre vorhergesagte solare Annihilationsrate im von LZ bevorzugten Bereich die IceCube-Grenze um ungefähr vier Größenordnungen. Auch mehrere untersuchte nichtthermische Higgsino-Varianten bis zehn Teraelektronenvolt werden in dieser Rechnung ausgeschlossen, wobei die Stärke der Grenze von Annahmen über Einfang, Abkühlung und Annihilation in der Sonne abhängt.
Eine zweite Spannung steckt bereits in den LZ-Daten. Rodd und Kollegen berechneten, dass ein Higgsino, der das 248-Kiloelektronenvolt-Ereignis erzeugt, gewöhnlich weitere Rückstöße bei noch höheren Energien hervorrufen sollte. In der entsprechenden hochenergetischen Seitenregion meldet LZ keine Ereignisse. Die Aussage ist aber nicht endgültig, weil die Akzeptanz des Detektors in diesem Energiebereich bislang nicht veröffentlicht wurde.
Eine neue Analyse von Freese und Theodosopoulos vom 2. Oktober zeigt deshalb ein diff