Am 16. Juni 2023 registrierte der LUX-ZEPLIN-Detektor (LZ) in South Dakota ein ungewöhnliches Ereignis, das sich bisher nicht durch bekannte Hintergrundprozesse erklären lässt. Mit einer Signifikanz von 2,6 Sigma handelt es sich zwar nicht um eine Entdeckung, stellt aber den bisher interessantesten Kandidaten für Dunkle Materie in diesem Experiment dar.
Technische Details des Detektors
Der LZ-Detektor befindet sich 1.480 Meter unter der Erde im Sanford Underground Research Facility. Die Anlage nutzt etwa 10 Tonnen hochreines Xenon, wovon sieben Tonnen als aktive Targetmasse dienen. Das Prinzip basiert auf einer zweiphasigen Zeitprojektionskammer: Teilchenwechselwirkungen im flüssigen Xenon erzeugen zunächst einen Szintillationslichtblitz (S1), gefolgt von einem zweiten Signal (S2) durch freigesetzte Elektronen in der Gasphase.
Besonderes Augenmerk liegt auf der Unterscheidung zwischen Elektronenrückstoß (typisch für Gamma- und Betateilchen) und Kernrückstoß (potentiell durch Dunkle Materie verursacht). Um Störsignale zu minimieren, ist die Xenonkammer von mehreren Schutzschichten umgeben, darunter zusätzliches Xenon, flüssiger Szintillator und 229 Tonnen hochreines Wasser.
Analyse des ungewöhnlichen Ereignisses
Das besondere Signal trat bei der Auswertung von 220 Messtagen zwischen März 2023 und April 2024 auf. Bei einer erweiterten Energiesuche bis 270 keV blieb unter 1.710 Ereignissen ein auffälliger Datenpunkt mit 248 keV Rückstoßenergie übrig. Die Position im Detektor und die Lichtverteilung sprechen für einen punktförmigen Wechselwirkungsort.
Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich um ein Hintergrundereignis handelt, wird auf etwa 1% geschätzt. Allerdings konnte die Art der Wechselwirkung nicht zweifelsfrei als Kernrückstoß identifiziert werden. Verschiedene Tests schlossen bekannte Störquellen wie Wandnähe, Koinzidenzen mit Veto-Detektoren oder Mehrfachstreuungen aus.
Die statistische Auswertung mehrerer Modelle ergab lokale Signifikanzen bis 3,4 Sigma, die nach Berücksichtigung des „Look-elsewhere-Effekts“ auf 2,6 Sigma global absank. Damit bleibt das Ergebnis unter der für eine Entdeckung erforderlichen 5-Sigma-Schwelle.
- Quelle: LUX-ZEPLIN Collaboration Paper
- Quelle: Berkeley Lab Announcement
- Quelle: Space Daily Bericht über Materialanforderungen