LUX-ZEPLIN heeft nog geen donkere materiedeeltjes ontdekt, maar komt wel in de buurt

Eén van de sensoren van LZ. Credit: Matthew Kapust / Sanford Underground Research Facility

Zo’n 85% van alle materie in het heelal bestaat uit de mysterieuze donkere materie, zo weten we uit vele indirecte waarnemingen. Er worden al tientallen jaren experimenten wereldwijd uitgevoerd om de deeltjes te detecteren waaruit donkere materie in theorie zou bestaan, maar die hebben nog niets opgeleverd. Deze week werden de resultaten bekend gemaakt van LUX-ZEPLIN (kortweg LZ), dat diep onder de grond uitgevoerd wordt in een oude mijn van de Sanford Underground Research Facility in Lead, South-Dakotta (VS). In een vat zit 5,5 ton aan zuivere xenon (zie de foto hieronder) en daar werd gedurende 280 dagen mee geprobeerd donkere materie te detecteren, DM-deeltjes die in theorie af en toe kúnnen reageren met de zware xenon-kernen. Resultaat: nog steeds geen donkere materie gedetecteerd, maar de zogeheten uitsluitingslimieten zijn sterk verbeterd, dat is het massabereik van de hypothetische DM-deeltjes die door de waarnemingen uitgesloten worden.

De LZ-detector. Credit: Matthew Kapust / Sanford Underground Research Facility

Theoretisch zou donkere materie kunnen bestaan uit zogeheten “weakly interacting massive particles” (WIMP’s), die bijna nooit reageren met gewone materie. Dat ‘bijna’ is cruciaal, want heel af en toe zou het wel kunnen en dát zou met een xenonatoom kunnen gebeuren, die direct geraakt wordt door zo’n WIMP. Het xenon is tot -98 °C afgekoeld. Als zo’n directe botsing plaatsvind kan een foton worden geproduceerd en dat zou door één van de 494 sensoren die LZ telt kunnen worden gezien.

Andere gebeurtenissen zouden zo’n ‘flash’ die dan gezien wordt ook kunnen produceren, dus het is wel zaak om de echte WIMP-gebeurtenissen te onderscheiden van de achtergrondgebeurtenissen, de ruis. Op grond van de nu verkregen resultaten blijkt dat WIMP’s niet zwaarder kunnen zijn dan 1,6 × 10^26 kg, dat is 10 keer zo zwaar als protonen. LZ gaat door met waarnemen tot 2028 en dan hoopt men op basis van 1000 dagen (i.p.v. 280) wel WIMP’s te kunnen zien. Lukt dat niet dan wil men met de opvolger, XLZD (XENON-LUX-ZEPLIN-DARWIN) een nieuwe poging wagen, een detector die tien keer zoveel xenon bevat. Hieronder de laatste resultaten van LZ, waarbij de zwarte dikke lijn onderaan de nieuwste uitsluitingslimiet laat zien.

Credit: LZ-collaboration

Die uitsluitingslimiet ligt net boven de zogeheten neutrinovloer of -achtergrond, de theoretische lijn waarbij de DM-detectoren ook gewone neutrino’s gaan zien. Mocht die komende jaren bereikt worden dan wordt het ingewikkeld, want dan moeten de natuurkundigen proberen onderscheid te maken tussen de gebeurtenissen die veroorzaakt worden door gewone neutrino’s en door WIMP’s. Dat maakt het er allemaal niet gemakkelijker op. Er zijn nog geen officiële vakartikelen met de resultaten gepubliceerd, maar ze zijn wel te zien in deze twee presentaties:

• Amy Cottle, «Status of the LUX-ZEPLIN Dark Matter Experiment,» LIDINE 2024: LIght Detection In Noble Elements, 26–28 Aug 2024, Sao_Paulo (26 Aug 2024) [indico; PDF],
• Scott Haselschwardt, «Status of the LUX-ZEPLIN Dark Matter Experiment», Chicago 2024. TeV Particle Astrophysics 2024, 26–30 Aug 2024, Chicago (26 Aug 2024) [indico; PDF].

Bron: Phys.org + Francis Naukas.

Gerelateerde Astroblogs:

Astronomen stellen een ‘spiegeluniversum’ voor als mogelijke verklaring voor donkere materie Jawel, de neutrinobodem is mogelijk bereikt door een donkere materiedetector Scheve sterrenstelsels kunnen gebruikt worden om de snelheid van donkere materie te meten