Ein rätselhaftes Signal aus 1,5 km Tiefe: Physiker hoffen auf Dunkle Materie
Tief unter South Dakota misst ein Detektor ein rätselhaftes Signal. Könnte es tatsächlich von einem Teilchen der Dunklen Materie stammen?
Blick auf die untere Photomultiplier-Anordnung des LUX-ZEPLIN-Detektors. Die hochempfindlichen Sensoren registrieren schwache Lichtblitze im flüssigen Xenon, die bei Teilchenwechselwirkungen entstehen – darunter könnten theoretisch auch Signale Dunkler Materie sein.
Foto: Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility
Ein Detektor tief unter South Dakota hat ein ungewöhnliches Teilchenereignis registriert. Die Forschenden finden bislang keine überzeugende Erklärung durch bekannte Hintergrundprozesse. Dunkle Materie wäre eine Möglichkeit. Doch aus 3,4 Sigma werden nach statistischer Korrektur nur 2,6 Sigma – für eine Entdeckung ist das viel zu wenig.
Es ist nur ein einziger Messpunkt. Trotzdem beschäftigt er die Forschenden des LUX-ZEPLIN-Experiments, kurz LZ, seit Monaten. Das Ereignis sieht so aus, wie eine Wechselwirkung mit einem schweren Teilchen der Dunklen Materie aussehen könnte. Gleichzeitig haben die Forschenden bislang keinen bekannten Hintergrundprozess gefunden, der gut dazu passt.
Eine Entdeckung ist das ausdrücklich nicht. Die statistische Signifikanz liegt nach einer wichtigen Korrektur bei 2,6 Sigma. In der Teilchenphysik gilt üblicherweise erst eine Signifikanz von 5 Sigma als Schwelle für die Verkündung einer Entdeckung.
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Das rätselhafte Ereignis stammt aus dem Jahr 2023
Neu ist nicht das Ereignis selbst, sondern seine Einordnung. Der Detektor registrierte es bereits am 16. Juni 2023. Die LZ-Kollaboration bezeichnet es deshalb intern als LZ230616.
Die Forschenden rekonstruieren eine Energie von 248 ± 23 keV statistischer und ± 23 keV systematischer Unsicherheit. Das Signal ist mit einem elastischen Rückstoß eines Xenon-Atomkerns vereinbar. Dabei trifft ein Teilchen auf einen Atomkern und überträgt einen Teil seiner Bewegungsenergie auf ihn.
Das Ereignis lag zudem weit genug von problematischen Randbereichen des Detektors entfernt: rund 26,4 cm von der Kathode und 26,9 cm von der Wand der zentralen Messkammer. Das macht manche instrumentellen Erklärungen weniger wahrscheinlich – ausschließen lassen sich unbekannte oder extrem seltene Hintergrundprozesse damit aber nicht.
Warum LZ diesmal bei höheren Energien sucht
LUX-ZEPLIN ist vor allem für die Suche nach WIMPs gebaut. Die Abkürzung steht für „Weakly Interacting Massive Particles“. Solche hypothetischen massereichen Teilchen wechselwirken nur sehr schwach mit normaler Materie und gehören seit Jahrzehnten zu den möglichen Erklärungen für Dunkle Materie.
Viele klassische WIMP-Suchen konzentrieren sich auf Kernrückstöße unterhalb von ungefähr 55 keV. Die neue LZ-Analyse geht deutlich weiter und untersucht Rückstoßenergien bis 270 keV. Damit geraten Wechselwirkungen ins Blickfeld, bei denen die Energieübertragung anders von Impuls und Teilchenmasse abhängt als bei den einfachsten WIMP-Modellen. Das ist gerade deshalb so spannend, weil das 248-keV-Ereignis genau in diesem bislang weniger intensiv untersuchten Bereich liegt.
Andere Experimente verfolgen teilweise völlig andere Strategien. So soll beispielsweise das SuperCDMS-Experiment mit extrem kalten Detektoren nach leichteren Kandidaten für Dunkle Materie suchen. Andere Forschungsgruppen fahnden nach Axionen oder Dunklen Photonen – teilweise sogar mithilfe des Magnetfelds der Erde als riesigem natürlichen Messaufbau.
220 Messtage und 2,84 Tonnenjahre
Für die aktuelle Analyse verwendete das Team Daten aus 220 effektiven Messtagen zwischen März 2023 und April 2024. Nach allen Auswahlkriterien umfasst das ausgewertete Xenonvolumen etwa 4,7 t. Daraus ergibt sich eine Exposition von rund 2,84 Tonnenjahren.
Der gesamte LZ-Detektor enthält rund 10 t hochreines flüssiges Xenon. Etwa 7 t davon bilden das aktive Volumen der sogenannten Zeitprojektionskammer. 494 Photomultiplier oberhalb und unterhalb des Xenons registrieren die Lichtsignale, die entstehen, wenn ein Teilchen Energie im Detektor deponiert.
Die Anlage befindet sich fast 1,5 km unter der Erde in der Sanford Underground Research Facility in South Dakota. Das darüberliegende Gestein schirmt einen großen Teil der kosmischen Strahlung ab. Weitere Detektorschichten und ein Tank mit hochreinem Wasser helfen dabei, Neutronen und andere Störsignale zu erkennen.
Warum ein einziges Ereignis überhaupt interessant ist
Normalerweise wäre ein einzelner Messpunkt wenig überzeugend. Bei LZ liegt die Sache etwas anders: Der Detektor arbeitet in einem Bereich, in dem die erwarteten Hintergrundraten extrem niedrig sein können.
Das Team prüfte unter anderem Neutrinos, Neutronen, zufällige Überlagerungen verschiedener Signale und Ereignisse, bei denen ein Teil der erzeugten Ladung im Detektor verloren geht. Keine dieser bekannten Möglichkeiten erklärt LZ230616 bislang überzeugend.
Für einen besonders relevanten Bereich des Signals weist das Hintergrundmodell beispielsweise nur etwa 0,01 erwartete Ereignisse aus. Das macht den Messpunkt auffällig – allerdings noch nicht zu Dunkler Materie.
Zunächst 3,4 Sigma – dann bleiben 2,6 Sigma
Besonders wichtig ist die statistische Bewertung. Bei einzelnen untersuchten WIMP-Modellen erreicht die Auffälligkeit eine lokale Signifikanz von bis zu 3,4 Sigma. Das klingt zunächst beachtlich. Allerdings hat das Team nicht nur ein einziges vorher festgelegtes Modell geprüft, sondern insgesamt 616 Modelle.
Je mehr Möglichkeiten untersucht werden, desto größer ist die Chance, irgendwo zufällig ein auffälliges Ergebnis zu finden. In der Statistik wird dieser Effekt als Look-elsewhere-Effekt bezeichnet.
Nach dieser Korrektur bleiben 2,6 Sigma globale Signifikanz. Das entspricht grob einer Wahrscheinlichkeit von etwa 0,5 %, unter den angenommenen Hintergrundmodellen ein mindestens ebenso auffälliges Ergebnis zu erhalten. Es bedeutet ausdrücklich nicht, dass das Ereignis mit 99,5 % Wahrscheinlichkeit von Dunkler Materie stammt. Für einen belastbaren Nachweis ist das noch viel zu wenig.
Was wäre es, falls es tatsächlich ein WIMP ist?
Sollte hinter dem Ereignis tatsächlich Dunkle Materie stecken, würde das nach Einschätzung der LZ-Kollaboration eher zu einem schweren WIMP mit einer Masse von mindestens ungefähr 200 GeV/c² passen. Das wäre mehr als das 200-Fache der Masse eines Protons. Außerdem wären Wechselwirkungen interessant, die über die einfachsten bislang untersuchten WIMP-Szenarien hinausgehen.
Das wäre physikalisch spektakulär. Bislang ist Dunkle Materie nur über ihre gravitative Wirkung überzeugend nachgewiesen. Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop konnten Forschende beispielsweise die Verteilung Dunkler Materie anhand ihrer Wirkung auf das Licht ferner Galaxien besonders detailliert kartieren. Ein direkter Nachweis eines zugehörigen Teilchens fehlt jedoch weiterhin.
Weitere Daten müssen zeigen, was hinter dem Signal steckt
LZ misst deshalb weiter. Nach den auf der TeVPA-Konferenz vorgestellten Planungen soll das Experiment mindestens bis 2028 Daten sammeln und sich insgesamt rund 1000 effektiven Messtagen nähern.
Damit lässt sich das Ereignis LZ230616 auf die Probe stellen. Tauchen weitere Ereignisse mit passenden Eigenschaften auf, könnte die statistische Signifikanz wachsen. Bleibt es bei diesem einen Messpunkt, dürfte seine Bedeutung mit zunehmender Datenmenge dagegen sinken.
Das derzeitige Ergebnis liegt also genau in dem Bereich, in dem Teilchenphysik spannend, aber auch besonders fehleranfällig wird: auffällig genug für eine genauere Untersuchung, weit entfernt von einer Entdeckung.
Quellen
- Lawrence Berkeley National Laboratory: LZ Sees Surprising Result in Search for Dark Matter
- TeV Particle Astrophysics 2026: Search for high-energy dark matter interactions with the LUX-ZEPLIN experiment
- LZ Collaboration / TeVPA 2026: Präsentation mit Daten zu LZ230616, Signifikanz und Analyse
- LUX-ZEPLIN: Aufbau und Funktionsweise des LZ-Detektors
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