Afgelopen zomer presenteerden fysici van het donkere-materie-experiment XENON1T een spannend resultaat. Ze hadden 53 signalen waargenomen die niet afkomstig lijken van achtergrondruis. Theoretici van over de hele wereld hebben zich enthousiast op de metingen gestort om een verklaring te vinden. Het vakblad Physical Review Letters heeft nu vijf artikelen hiervan gepubliceerd, die representatief zijn voor de verschillende ideeën.
Sinds de resultaten van XENON1T in juni op de voorpublicatiesite ArXiv geplaatst werden, zijn er op diezelfde site meer dan 150 artikelen verschenen met theoretische verklaringen. Dat vertelt Patrick Decowski, van onderzoeksinstituut Nikhef en de Universiteit van Amsterdam, en betrokken bij XENON1T. ‘Dat is echt ongelofelijk.’
Axionen en lichte WIMPs
Wat waren die spannende signalen precies? De onderzoekers keken naar 200 dagen aan metingen. In die periode zagen de extreem gevoelige lichtdetectoren 285 lichtsflitsjes in de detector. 232 daarvan konden verklaard worden door bekende achtergrondruis. Dat betekent dat er 53 mysterieuze lichtflitsjes overbleven. Het enige dat de fysici weten, is dat het erop lijkt dat deze signalen ontstonden doordat ‘dingen’ botsten met elektronen in de detector.
Twee van de vijf artikelen die dit proberen te verklaren, beschrijven aangepaste versies van eerder voorgestelde donkere-materie-kandidaten. Eén artikel, door Japanse fysici, geeft een draai aan axionen. Dit zijn lichtgewicht deeltjes die volgens eerdere theorieën wisselwerkingen aangaan met lichtdeeltjes (fotonen). Op grond van deze oudere modellen waren axionen afgeschreven als mogelijkheid, omdat de voorspelde wisselwerking met fotonen niet teruggevonden is in astrofysische observaties. De Japanse fysici stellen nu een nieuw model voor waarbij de axionen veel minder met fotonen te maken hebben, zodat ze wél een verklaring kunnen zijn voor zowel de astrofysische als de XENON-1T metingen.
In een ander artikel stellen Canadese onderzoekers een variant van eerder geopperde ‘fermion donkere materie’ en ‘donkere fotonen’ voor. Net als het nieuwe axion-model, kan dit nieuwe donkere-fotonen-model de huidige metingen beter verklaren dan de oude modellen.
Stralende donkere materie
In het derde artikel beschrijven Australische theoretici ‘stralende’ donkere-materie-deeltjes die in een ‘zware’ en een ‘lichte’ toestand kunnen verkeren. Een dergelijk zwaar deeltje kan in de XENON1T-detector terugvallen naar zijn lichtere toestand, waarbij energie vrijkomt. Dat levert een lichtflitsje op.
Verder stellen Amerikaanse theoretici ‘boosted’ donkere materie voor om de lichtflitsjes te verklaren. In de huidige modellen wordt ervan uitgegaan dan donkere-materie-deeltjes ‘koud’ zijn en dus niet erg snel bewegen. In het boosted-model hebben die trage, koude deeltjes een slinger gekregen door processen in de zon of in het centrum van een sterrenstelsel. Daardoor gaan ze veel sneller dan verwacht, wat de gemeten eigenschappen van de lichtflitsjes in XENON1T zou kunnen verklaren.
Ten slotte komen Duitse fysici op de proppen met een model waarin bekende deeltjes, namelijk neutrino’s, op elektronen in de detector botsen. Dit verschijnsel wordt ook al in de detector waargenomen. De Duitse fysici stellen echter dat er meer neutrino-elektron-botsingen zijn dan verwacht omdat er een botsing is waar de huidige modellen geen rekening mee houden. Bij die nieuw voorgetelde botsingen ontstaan zogeheten ‘verborgen’ neutrino’s, die een teken kunnen zijn van nieuwe, nog onbekende natuurkunde.
‘Saaie’ verklaringen
Welke van de kandidaten vind Decowski het meest waarschijnlijk? ‘Als ik er geld op in moet zetten, dan zou dat op de donkere fotonen zijn. Die hebben het meest eenvoudige model en verklaren zowel de astronomische als de XENON1T-metingen.’
Maar, waarschuwt hij, de metingen van de XENON1T zijn nog niet zo overtuigend dat je van een ontdekking kunt spreken. Het is nog mogelijk dat de signalen een statistische fluctuatie blijken.
Een andere, ‘saaie’ verklaring die de XENON1T-onderzoekers zelf beschrijven is dat er meer tritium in hun detector zat dan gedacht. Als deze zware, radioactieve variant van waterstof vervalt, dan levert dat een vergelijkbaar signaal op. ‘Dan zou er een factor honderd meer tritium in onze detector zitten dan we dachten’, zegt Decowski. ‘Dat is mogelijk, want we weten nog weinig over het tritium in de detector.’
Over een aantal maanden verwachten de fysici de eerste resultaten van de grotere opvolger van XENON1T: XENONnT. Als tritium de boosdoener is, zal dat dan aan het licht kunnen komen. Daarnaast wordt in de VS gewerkt aan een vergelijkbaar experiment: LZ. Als XENONnT en LZ soortgelijke signalen vinden, dan zijn ze misschien echt donkere materie op het spoor. Dan wordt het pas echt spannend.
