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(openPR) Am 16. Juni 2023 registrierte der Detektor LUX-ZEPLIN, kurz LZ, in South Dakota zwei zusammengehörige Lichtsignale. Ihr Verhältnis passt eher zu einem Stoß auf einen Atomkern als zu einem Stoß auf ein Elektron. Die LZ-Kollaboration veröffentlichte das Ereignis am 1. September 2026. Was es ausgelöst hat, ist bislang unbekannt.
Eine mögliche Erklärung wäre ein Teilchen der Dunklen Materie, das mit einem Xenonkern zusammengestoßen ist. Doch ein ungewöhnliches Signal reicht für diesen Schluss nicht aus: Auch bekannte Teilchen oder ein unzureichend erfasster Detektoreffekt könnten eine Rolle spielen.
Nach Berücksichtigung der vielen geprüften Modelle erreicht die Auffälligkeit eine statistische Signifikanz von 2,6 Sigma. Damit bleibt sie unter den in der Teilchenphysik üblichen Schwellen für einen Hinweis beziehungsweise eine Entdeckung.
Richard Gaitskell, Professor an der Brown University und Sprecher von LUX-ZEPLIN, erklärte laut Berkeley Lab News Center sinngemäß: Die Kollaboration behaupte nicht, Dunkle Materie gesehen zu haben. Sie habe aber etwas Interessantes beobachtet und wolle dazu Rückmeldungen aus der wissenschaftlichen Gemeinschaft erhalten.
Die neue LZ-Analyse und die drei hier besprochenen theoretischen Deutungen liegen als Preprints vor, also als wissenschaftliche Vorabveröffentlichungen vor der Begutachtung durch unabhängige Fachkollegen. Einschätzungen unabhängiger Fachleute außerhalb der beteiligten Forschungsgruppen sind im ausgewerteten Material nicht enthalten.
Das Ereignis auf einen Blick
- Messung: 16. Juni 2023, rund 1,5 Kilometer unter der Erde in der Sanford Underground Research Facility in South Dakota.
- Energie: 248 Kiloelektronenvolt (keV), sofern das Ereignis als Kernrückstoß durch elastische Streuung gedeutet wird. Statistische und systematische Unsicherheit betragen jeweils ± 23 keV.
- Auffälligkeit: Das Verhältnis der beiden Lichtsignale liegt wesentlich näher an der erwarteten Verteilung für Kernrückstöße als an jener für Elektronenrückstöße.
- Statistik: Lokal 3,4 Sigma, nach Berücksichtigung der geprüften Modelle global 2,6 Sigma.
- Offene Frage: Bislang wurde keine überzeugende Erklärung durch bekannte Hintergrundprozesse gefunden. Das ist noch kein Beleg für Dunkle Materie.
Wie LZ zwei Lichtsignale auswertet
LUX-ZEPLIN befindet sich in der ehemaligen Homestake-Goldmine. Das Gestein über dem Experiment schwächt den Fluss kosmischer Teilchen ab. Zusätzliche Nachweissysteme helfen, Störereignisse zu erkennen.
Im Hauptdetektor befinden sich rund sieben Tonnen flüssiges Xenon, ein schweres Edelgas. Für die neue Analyse nutzten die Forscher einen inneren Messbereich mit 4,71 ± 0,08 Tonnen Xenon. Der Abstand zu den Wänden verringert den Einfluss radioaktiver Strahlung aus den umgebenden Materialien.
Gesucht werden unter anderem WIMPs: hypothetische, schwach wechselwirkende massereiche Teilchen, die als Kandidaten für Dunkle Materie gelten. Ein solches Teilchen könnte beim Zusammenstoß Energie auf einen Xenonkern übertragen.
Ein Energieeintrag im Xenon erzeugt zwei messbare Signale. Zunächst entsteht ein kurzer Lichtblitz, S1 genannt. Außerdem werden Elektronen aus den Atomen gelöst. Ein elektrisches Feld zieht sie nach oben in eine Gasschicht. Dort erzeugen sie einen zweiten Lichtblitz, S2.
Die Zeit zwischen den Signalen verrät die Tiefe des Ereignisses. Die Verteilung des zweiten Lichtblitzes auf die oberen Sensoren liefert die übrigen Ortskoordinaten. Aus dem Verhältnis von S1 und S2 lässt sich außerdem ableiten, welchem Stoßtyp das Ereignis ähnelt.
Bei einem Elektronenrückstoß wird Energie auf ein Elektron übertragen, bei einem Kernrückstoß auf einen Xenonkern. Bei gleicher Stärke von S1 fällt S2 für Kernrückstöße in der Regel kleiner aus. Die entsprechenden Messwertverteilungen überlappen jedoch. Ein Elektronenrückstoß kann deshalb im Bereich der Kernrückstöße erscheinen. Auch Neutronen können Xenonkerne anstoßen.
Der Detektor liefert damit Hinweise auf die Art des Stoßes. Ein Kernrückstoß allein identifiziert noch kein Teilchen der Dunklen Materie.
Was das 248-keV-Ereignis ungewöhnlich macht
Für die neue Auswertung erweiterte LZ den untersuchten Energiebereich für Kernrückstöße: Die Obergrenze stieg von etwa 55 auf 270 keV. Damit nahm die Kollaboration auch Ereignisse in den Blick, die außerhalb der bisherigen Hauptanalyse lagen.
Die Daten stammen aus 220 aktiven Messtagen zwischen dem 27. März 2023 und dem 1. April 2024. Nach allen Auswahlkriterien blieben 1.710 Ereignisse übrig. Das an die Daten angepasste Modell aus Hintergrund und möglichem Signal ergab 1.713 ± 39 Ereignisse. In der Gesamtzahl gab es keinen nennenswerten Überschuss.
Auffällig ist vielmehr die Lage eines einzelnen Ereignisses im Diagramm der beiden Lichtsignale. Deutet man es als Kernrückstoß durch elastische Streuung, ergibt sich eine Energie von 248 keV. Bei einer solchen Streuung tauschen die beteiligten Teilchen Bewegungsenergie aus, ohne ihren inneren Zustand zu ändern.
Die Energie allein verrät nicht, wie schwer das auftreffende Teilchen war. Dafür spielen auch seine Geschwindigkeit und der Streuwinkel eine Rolle.
Entscheidend ist hier das vergleichsweise schwache zweite Lichtsignal. Nach Korrektur von Ortseffekten lag S2 bei dem gemessenen S1-Wert 6,7 Standardabweichungen unter der Mitte der Elektronenrückstoß-Verteilung. Von der Mitte der Kernrückstoß-Verteilung war es dagegen nur 1,5 Standardabweichungen entfernt. Eine Standardabweichung beschreibt, wie stark Messwerte typischerweise um ihren Mittelwert streuen. Das Signal ähnelt damit deutlich eher einem Kernrückstoß.
Für den engen S1-Bereich, in dem das Ereignis liegt, sagt das Modell der bekannten Hintergrundprozesse 0,0106 ± 0,0008 Ereignisse voraus. Anschaulich entspricht das im Durchschnitt ungefähr einem Ereignis in hundert vergleichbaren Datensätzen. Diese Zahl beschreibt einen bestimmten Bereich des Modells. Sie ist weder die Wahrscheinlichkeit für Dunkle Materie noch die statistische Bewertung der gesamten Suche.
Warum aus der Auffälligkeit global 2,6 Sigma werden
Die statistische Frage lautet: Wie häufig würde der angenommene Hintergrund allein eine mindestens ebenso große Abweichung erzeugen?
LZ prüfte 616 Modelle für Wechselwirkungen zwischen Xenonkernen und hypothetischen Teilchen unterschiedlicher Masse. Die größte Abweichung von der reinen Hintergrundannahme erreichte zunächst eine lokale Signifikanz von 3,4 Sigma.
Wer viele Möglichkeiten untersucht, findet allerdings leichter zufällig eine Auffälligkeit. Diesen sogenannten Look-Elsewhere-Effekt berücksichtigten die Forscher in einem weiteren Schritt. Sie fassten Modelle mit nahezu gleichen erwarteten Ereignisverteilungen zusammen; übrig blieben 293 unterscheidbare Fälle. Anschließend simulierten sie wiederholt Datensätze, die ausschließlich Hintergrund enthielten, und führten darauf jeweils die gesamte Suche aus.
In etwa fünf von tausend simulierten Experimenten entstand eine mindestens ebenso große Abweichung wie in den echten Daten. Das entspricht einem p-Wert von rund 0,5 Prozent oder einer globalen Signifikanz von 2,6 Sigma.
Der p-Wert sagt nicht, wie wahrscheinlich Dunkle Materie als Ursache ist. Er beschreibt, wie ungewöhnlich das Ergebnis unter der verwendeten Hintergrundannahme wäre.
In der Teilchenphysik gelten 3 Sigma üblicherweise als Schwelle für einen statistischen Hinweis und 5 Sigma für eine Entdeckung. Die LZ-Auffälligkeit erreicht keine dieser beiden Schwellen. Auch die 6,7 Standardabweichungen vom Zentrum der Elektronenrückstoß-Verteilung sind keine Entdeckungssignifikanz: Sie beschreiben die Lage eines Messwerts innerhalb einer bestimmten Verteilung, nicht die Bewertung aller möglichen Hintergründe und geprüften Modelle.
Welche anderen Ursachen infrage kommen
Wenn Elektronen auf dem Weg verloren gehen
Eine mögliche Erklärung ist Ladungsverlust. Ein Gammaquant, ein energiereiches Lichtteilchen, kann an mehreren benachbarten Stellen im Xenon Energie abgeben. Das nahezu gleichzeitige Licht dieser Wechselwirkungen kann zu einem einzigen S1-Puls verschmelzen.
Entsteht ein Teil der freigesetzten Elektronen nahe der Wand oder unterhalb der Kathode, gelangt er möglicherweise nicht in die Gasphase. Das zweite Lichtsignal fällt dann schwächer aus. Ein Ereignis mit Elektronenrückstößen kann dadurch wie ein Kernrückstoß erscheinen.
Um die Häufigkeit solcher Fehleinordnungen abzuschätzen, müssen die Forscher unter anderem die betroffenen Detektorbereiche und die Häufigkeit von Mehrfachwechselwirkungen kennen. Ein insgesamt seltener Prozess kann für die Bewertung eines einzelnen Kandidaten wichtig sein.
Neutronen und die zeitliche Umgebung
Auch Neutronen können Kernrückstöße auslösen. Um etwa 250 keV auf einen Xenonkern zu übertragen, müsste ein Neutron mindestens rund 8 Megaelektronenvolt Energie besitzen.
Ein Neutronenfluss, der das Juni-Ereignis erklären würde, ließe im untersuchten Modell zusätzliche Rückstöße bei niedrigeren Energien erwarten. Eine entsprechende Gruppe von Ereignissen findet sich in den LZ-Daten nicht.
Die Kollaboration untersuchte außerdem, was vor dem Ereignis geschehen war. Eine Kobalt-57-Kalibrierungsquelle auf der gegenüberliegenden Detektorseite war 25 Minuten zuvor entfernt worden. Das letzte vorherige Myon hatte der Außendetektor 41 Minuten zuvor registriert; in der Zeitprojektionskammer lag die letzte vorherige Myonregistrierung 127 Minuten zurück. Myonen sind durchdringende Teilchen aus der kosmischen Strahlung, die auch Neutronen erzeugen können.
Diese Prüfungen haben bislang keine überzeugende Erklärung durch bekannte Hintergrundprozesse geliefert. Unsicherheiten in deren Beschreibung bleiben dennoch relevant.
Warum die Analyse als nicht-blind gilt
LZ verwendet ein Verfahren namens Salting. Dabei werden künstliche, signalähnliche Ereignisse in die Daten gemischt. Die Auswerter wissen zunächst nicht, welche davon künstlich sind. Das soll verhindern, dass Auswahlkriterien auf einen vermeintlichen Fund zugeschnitten werden.
Im neuen Hochenergiebereich deckten diese künstlichen Ereignisse die Region der Kernrückstöße jedoch nicht ausreichend ab. Die Kollaboration bezeichnet die Analyse deshalb ausdrücklich als nicht-blind.
Die Forscher übernahmen die meisten Auswahlkriterien aus ihrer früheren Studie. Auswahlkriterien und Wahrscheinlichkeitsmodelle standen fest, bevor die verbliebenen künstlichen Ereignisse entfernt wurden. Die Einschränkung der Verblindung gehört trotzdem zur Einordnung des Ergebnisses.
Welche Teilchenmodelle passen könnten
Eine Erklärung mit Dunkler Materie muss mehr leisten, als einen Stoß bei 248 keV zu ermöglichen. Sie muss auch mit den übrigen Messdaten vereinbar sein.
In vielen einfachen WIMP-Modellen sind Rückstöße mit niedriger Energie häufiger als solche mit hoher Energie. Eine Deutung des auffälligen Ereignisses würde deshalb oft zusätzliche Ereignisse bei niedrigeren Energien erwarten lassen. Dort fand die frühere LZ-Suche jedoch keinen statistisch signifikanten Überschuss. Die 220 Messtage der neuen Analyse waren bereits Teil dieser früheren Auswertung.
Eine Möglichkeit bietet die inelastische Streuung. In den hier diskutierten Modellen geht das Teilchen der Dunklen Materie beim Stoß in einen schwereren Zustand über. Dafür ist zusätzliche Energie nötig. Bei geeigneten Modellparametern werden Rückstöße mit niedriger Energie dadurch stark unterdrückt.
Ein Ereignis nahe 248 keV könnte so mit dem fehlenden Überschuss bei niedrigeren Energien vereinbar sein. Ob eine konkrete Erklärung funktioniert, hängt aber von ihren weiteren Vorhersagen ab.
Ein Higgsino als möglicher Kandidat
Katherine Freese und Dionysios Theodosopoulos schlugen am 1. September 2026 eine Higgsino-Deutung vor. Das Higgsino ist ein hypothetisches Teilchen aus der Supersymmetrie, einer theoretischen Erweiterung der bekannten Teilchenphysik. Es ist der supersymmetrische Partner der Higgs-Felder.
In ihrem Modell liegt seine Masse bei etwa 1 TeV/c², ungefähr der Masse von eintausend Protonen. Zwischen zwei neutralen Zuständen besteht eine Massendifferenz in der Größenordnung von 350 keV/c².
Die Wechselwirkung läuft über ein Z-Boson, ein neutrales Botenteilchen der schwachen Wechselwirkung. Sind die Modellparameter festgelegt, lässt sich die erwartete Stoßrate nicht beliebig an das einzelne Ereignis anpassen. Das macht die Erklärung überprüfbar: Sie muss auch die Zahl und die Energieverteilung weiterer Ereignisse richtig beschreiben.
Der Test bei höheren Energien
Nicholas Rodd, Benjamin Safdi, Tracy Slatyer und Weishuang Linda Xu untersuchten am 3. September 2026 ein verwandtes Szenario mit einem Higgsino von rund 1,1 TeV/c².
Ihre Rechnung verbindet die heutige Häufigkeit dieser Teilchen mit der Entwicklung des frühen Universums. Higgsinos könnten damals im heißen Plasma entstanden sein und sich gegenseitig vernichtet haben. Mit der Ausdehnung und Abkühlung wurden diese Prozesse seltener. Für die gewählten Parameter könnte die verbliebene Teilchendichte der heutigen Dichte Dunkler Materie entsprechen.
Eine Schwierigkeit ergibt sich jedoch aus den LZ-Daten selbst: Das Modell sagt auch Ereignisse bei noch höheren Energien voraus, die dort nicht beobachtet wurden. Gerade solche ausbleibenden Signale können eine Deutung einschränken.
Eine mögliche jahreszeitliche Schwankung
Der theoretische Physiker Christopher McCabe untersuchte in einem weiteren Preprint vom 3. September 2026, wie sich die Rate inelastischer Streuung im Jahreslauf verändern könnte.
Während die Erde die Sonne umkreist, ändert sich ihre Geschwindigkeit relativ zum angenommenen Halo der Milchstraße, einer ausgedehnten Hülle aus Dunkler Materie um die Galaxie. Erfordert ein Stoß eine hohe Mindestenergie, kann schon eine kleine Geschwindigkeitsänderung beeinflussen, wie viele Teilchen diese Schwelle erreichen. In manchen Modellvarianten wären während eines Teils des Jahres keine entsprechenden Ereignisse zu erwarten.
In manchen Varianten der Berechnung liegt der 16. Juni in einer Phase erhöhter erwarteter Ereignisrate. Ein einzelnes Ereignis belegt jedoch keine jahreszeitliche Schwankung. Dafür wären weitere Ereignisse nötig, deren Zeitpunkte und Energien zur Vorhersage passen.
Warum überhaupt nach Dunkler Materie gesucht wird
Das LZ-Ereignis ist nicht der Ausgangspunkt der Hypothese. Astronomen untersuchen seit Jahrzehnten Beobachtungen, bei denen die sichtbare Materie allein die gemessenen Schwerkraftwirkungen nicht erklärt.
Fritz Zwicky leitete 1933 aus den Geschwindigkeiten von Galaxien im Coma-Haufen ab, dass mehr anziehende Masse vorhanden sein müsste, als die Leuchtkraft vermuten ließ. Spätere Messungen an einzelnen Galaxien zeigten ein ähnliches Problem: In ihren Außenbereichen bewegen sich Sterne und Gas schneller, als allein aus der beobachteten Materie zu erwarten wäre. Dazu gehören die Untersuchungen von Vera Rubin und Kent Ford an Andromeda sowie von Edvige Corbelli und Paolo Salucci an M33.
Weitere Hinweise liefern die kosmische Hintergrundstrahlung, eine Reststrahlung aus der Frühzeit des Universums, und kollidierende Galaxienhaufen. Beim Bullet-Cluster liegen die aus dem Gravitationslinseneffekt rekonstruierten Massenkonzentrationen nahe bei den Galaxien und räumlich getrennt vom heißen Gas. Beim Gravitationslinseneffekt verzerrt die Schwerkraft großer Massen die Bilder weiter entfernter Hintergrundgalaxien. Das heiße Gas enthält den Großteil der gewöhnlichen Materie dieser beiden Galaxienhaufen.
Im kosmologischen Standardmodell ergibt die Auswertung der Planck-Daten, dass gewöhnliche Materie etwa 5 Prozent und kalte Dunkle Materie etwa 26,5 Prozent der heutigen gesamten Energiedichte ausmachen. „Kalt“ bedeutet hier, dass sich die Teilchen lange vor der Entstehung der Galaxien sehr viel langsamer als das Licht bewegten. Dunkle Materie macht demnach rund 84 Prozent der gesamten Materie im Universum aus. Dunkle Energie ist in diesem Anteil nicht mitgerechnet. Diese Werte sind keine direkte „Wägung“ des Universums. Sie werden aus Beobachtungen im Rahmen des kosmologischen Standardmodells ΛCDM abgeleitet.
Auch die Häufigkeit von ursprünglichem Deuterium, einer schweren Variante des Wasserstoffs, begrenzt die Menge gewöhnlicher Materie. Im Rahmen der entsprechenden Berechnungen reicht sie nicht aus, um die fehlende Masse vollständig durch lichtschwache Sterne, Planeten oder kaltes Gas zu erklären.
Alternativ untersuchen Forscher veränderte Bewegungsgesetze, etwa die Modifizierte Newtonsche Dynamik, kurz MOND. Solche Ansätze müssen ebenfalls unterschiedliche astronomische Beobachtungen gemeinsam erklären. Die astronomischen Befunde und die Suche im Labor beantworten unterschiedliche Fragen: Die einen untersuchen zusätzliche Schwerkraftwirkungen, die andere sucht nach den Teilchen, die sie erklären könnten. Ein direkter Nachweis solcher Teilchen steht weiterhin aus.
Was weitere Messungen klären könnten
LZ sammelt weiter Daten und plant insgesamt 1.000 aktive Messtage. Entscheidend wird sein, ob weitere Ereignisse auftauchen und welches Muster sie bilden.
Die diskutierten Erklärungen lassen sich auf unterschiedliche Weise prüfen:
- **Energieverteilung:** Sagt ein Modell zusätzliche Ereignisse bei niedrigeren oder höheren Energien voraus, müssen diese Vorhersagen zu den Daten passen.
- **Zeitliche Verteilung:** Eine jahreszeitlich schwankende Rate müsste sich an mehreren Ereignissen zeigen.
- **Detektorverhalten:** Ein besseres Verständnis von Ladungsverlust und anderen Hintergrundprozessen könnte die Bewertung des Kandidaten verändern.
Auch ausbleibende Signale helfen dabei, Modelle einzugrenzen. Weitere Messungen könnten helfen, den Ursprung des Ereignisses zu klären und die vorgeschlagenen Erklärungen zu prüfen.
Bis dahin bleibt der Befund begrenzt: LZ hat ein ungewöhnliches Ereignis registriert. Ob dahinter Dunkle Materie, ein Hintergrundprozess oder etwas anderes steckt, ist noch offen.
Quellen:
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