Physiker suchen nach Erklärung für mögliches Dunkle-Materie-Signal

Ein einzelner Lichtblitz in einem riesigen unterirdischen Detektor in South Dakota hat eine Welle theoretischer Aktivitäten ausgelöst. Physiker weltweit versuchen nun zu klären, ob es sich dabei um den ersten direkten Nachweis von Dunkler Materie handelt und welches Teilchen diesen verursacht haben könnte.

Das LUX-ZEPLIN (LZ)-Experiment, ein Detektor mit 7 Tonnen flüssigem Xenon, der fast 1,5 Kilometer tief unter der Erde in der Sanford Underground Research Facility liegt, zeichnete im Juni 2023 eine ungewöhnliche Teilcheninteraktion auf. Nach monatelanger Analyse präsentierte die LZ-Kollaboration, bestehend aus 250 Wissenschaftlern und Ingenieuren von 39 Institutionen, die Ergebnisse am 1. September auf der TeV Particle Astrophysics 2026 Konferenz in Japan. Das Team schätzt die Wahrscheinlichkeit, dass das Signal durch bekannte Störfaktoren verursacht wurde, auf nur 0,5 Prozent oder etwa 1 zu 200, was einem Wert von 2,6 Sigma entspricht.wmur

Dies liegt weit unter der 5-Sigma-Schwelle, die einer Wahrscheinlichkeit von etwa 1 zu 3,5 Millionen für einen Zufall entspricht und in der Teilchenphysik als Voraussetzung für eine Entdeckung gilt. "Ein einzelnes Ereignis reicht für sich genommen nicht aus", sagte Alvine Kamaha, Assistenzprofessorin für Physik an der UCLA und Mitglied der LZ-Kollaboration.wmur

Ein Signal, das sich einfachen Erklärungen entzieht

Besondere Aufmerksamkeit erregt der Umstand, dass das Ereignis bei einer höheren Energie registriert wurde, als es Standardmodelle für schwach wechselwirkende massereiche Teilchen, sogenannte WIMPs, vorhersagen würden. "Es ist nicht das, was man von den allgemeinsten Modellen der Dunklen Materie erwarten würde", sagte Henning Flaecher von der University of Bristol, der zur LZ-Gruppe gehört. Das Fehlen begleitender niederenergetischer Kollisionen macht eine einfache WIMP-Erklärung äußerst unwahrscheinlich.newscientist

In den Wochen seit der Ankündigung haben Theoretiker zahlreiche Arbeiten veröffentlicht, die alternative Erklärungen untersuchen. Viele konzentrieren sich auf das Higgsino, einen hypothetischen Superpartner des Higgs-Bosons aus der Supersymmetrie-Theorie. JiJi Fan von der Brown University bezeichnete dies als die einfachste WIMP-Erklärung, die noch mit den Daten vereinbar sei, merkte jedoch an, dass das grundlegendste Higgsino-Modell im Widerspruch zu Einschränkungen anderer Experimente zu stehen scheint.newscientist

Andere Vorschläge führen Teilchen der Dunklen Materie an, die aus zusätzlichen Dimensionen stammen. Lisa Randall von der Harvard University, Koautorin einer solchen Arbeit, sagte, die Daten "scheinen förmlich nach so etwas zu rufen: Es umgeht die bestehenden Einschränkungen und passt recht natürlich ins Bild".newscientist

Neue Werkzeuge, neue Fragen

Unabhängig davon hat Stefano Profumo, Physiker an der University of California, Santa Cruz, einen quantitativen Rahmen zur Bewertung konkurrierender Theorien der Dunklen Materie eingeführt. Bei der Anwendung des Barbieri-Giudice-Maßes auf 12 Szenarien stellte Profumo fest, dass bestimmte Modelle zur Bildung primordialer Schwarzer Löcher zu den "natürlichsten" Konstruktionen zählten – vergleichbar mit den flexibelsten Teilchenmodellen –, während ein viel untersuchtes Teilchenszenario mit Higgs-Boson-Resonanz zu den am stärksten feinabgestimmten gehörte. "Natürlichkeit hat eine echte Kraft als Filter, um zu entscheiden, wo man als Nächstes suchen sollte", sagte Profumo.quantumzeitgeist

Wie geht es weiter?

Das LZ-Team analysiert derzeit einen größeren Datensatz, der 700 Tage umfasst, in der Hoffnung, weitere Ereignisse zu finden. Um Voreingenommenheit zu vermeiden, fügen die Forscher synthetische Ereignisse in die Daten ein, die erst nach Abschluss der Analyse wieder entfernt werden. Unabhängige Experimente, darunter der XENONnT-Detektor in Italien und der PandaX-4T in China, könnten letztlich für eine Bestätigung sorgen.wmur

"Anomalien können kommen und gehen, wie wir alle wissen", sagte Fan. "Unabhängig davon, ob das LZ-Ereignis bestätigt wird, werden einige dieser Themen zu langfristiger Forschung führen".newscientist