BENTURAN ANEH DI PERANGKAP MATERI GELAP

Materi gelap menyusun sebagian besar materi di alam semesta, tetapi belum ada yang pernah menangkap satu partikelnya pun. Selama puluhan tahun, kandidat favoritnya adalah partikel lambat dan berat yang disebut WIMP. Tangki raksasa berisi xenon cair, terkubur jauh di bawah tanah, menunggu salah satunya menabrak inti xenon dan membuatnya terpental.

Satu peristiwa yang tidak cocok

Eksperimen LUX-ZEPLIN (LZ) baru-baru ini memperluas pencariannya ke tumbukan yang lebih kuat. Di jendela energi utamanya, dari 5,4 hingga 50 kiloelektronvolt, eksperimen ini tidak melihat hal yang tak biasa. Namun lebih tinggi lagi, ia mencatat satu peristiwa tunggal pada 248 kiloelektronvolt, di wilayah yang hampir tidak diharapkan ada derau latar. Signifikansi lokalnya 3,4 sigma: menarik, bukan penemuan.

Masalahnya bersifat kinematik. Untuk menghantam inti xenon sekeras itu, sebuah partikel harus membawa momentum besar — sekitar 246 MeV/c. Materi gelap yang hanyut perlahan melintasi Galaksi kita tidak bisa melakukannya kecuali sangat berat, lebih dari sekitar 74 kali massa proton. Tetapi model berat semacam itu sebagian besar sudah tersingkir oleh sunyinya sinyal pada energi rendah.

Partikel ringan dan cepat dari lubang hitam yang sekarat

Cara lain untuk menghasilkan pukulan seperti itu adalah partikel yang ringan tetapi sangat cepat. Sumber yang wajar: lubang hitam primordial, yang menurut beberapa teori terbentuk di alam semesta yang sangat awal. Lubang hitam bermassa asteroid — 10¹¹ hingga 10¹³ gram — akan sedang menguap saat ini melalui radiasi Hawking, menyemburkan segala jenis partikel yang lebih ringan dari suhunya, mungkin termasuk materi gelap.

Jitumani Kalita, dari Indian Institute of Technology Guwahati, menghitung apa yang akan dilakukan aliran partikel semacam itu di dalam LZ. Untuk menghasilkan benturan 248 keV, partikel yang datang membutuhkan energi sekitar 123 MeV.

Mengapa itu tidak mungkin

Radiasi Hawking bersifat termal: ia menghasilkan jauh lebih banyak partikel berenergi rendah daripada yang berenergi tinggi. Partikel 20 hingga 50 MeV secara eksponensial jauh lebih umum daripada partikel 123 MeV. Jadi, untuk setiap benturan keras, akan ada banjir benturan lemah — tepat di tempat LZ tidak melihat apa pun.

Grafik laju peristiwa yang diprediksi terhadap energi pentalan, memuncak pada energi rendah.

Spektrum pentalan yang diprediksi dalam xenon: kedua model menghasilkan jauh lebih banyak peristiwa pada energi rendah (kiri) daripada pada 248 keV (garis titik-titik). — Gambar 1, Kalita (2026), arXiv:2609.29462.

Penulis mencoba dua jalan keluar yang biasa:

Tumbukan yang makin kuat seiring momentum yang dipindahkan. Bahkan versi paling ekstrem pun menyisakan tonjolan peristiwa di sekitar 20–30 keV, sekitar 100 kali lebih tinggi daripada laju pada 248 keV.
Partikel yang berubah ke keadaan sedikit lebih berat saat menumbuk. Trik ini berhasil untuk materi gelap yang lambat. Tetapi untuk partikel secepat ini, biaya energi yang kecil itu bisa diabaikan: kelebihan pada energi rendah tetap lebih dari 1.000 kali lebih besar daripada sinyalnya.

Kesimpulannya adalah “no-go” yang tegas: peristiwa LZ tidak mungkin berasal dari materi gelap yang dipancarkan lubang hitam primordial yang sedang menguap.

Kegagalan yang tetap memberi pelajaran

Jika dibalik, argumen ini menjadi sebuah pengukuran. Karena LZ tidak melihat banjir peristiwa berenergi rendah, lubang hitam semacam itu tidak mungkin umum. Untuk lubang hitam sekitar 2 × 10¹¹ gram, mereka dapat menyusun paling banyak sekitar sepersejuta dari seluruh materi gelap (tingkat kepercayaan 90%). Batas ini cepat melonggar di atas 10¹³ gram, ketika lubang hitam terlalu dingin untuk berpengaruh.

Grafik fraksi materi gelap yang tersingkir terhadap massa lubang hitam.

Batas atas bagian materi gelap yang terdiri dari lubang hitam primordial, sebagai fungsi massanya: wilayah yang diarsir tersingkir. — Gambar 2, Kalita (2026), arXiv:2609.29462.

Menurut penulis, detektor yang dibangun untuk menangkap materi gelap lambat dengan demikian juga dapat menyelidiki partikel cepat yang akan dipancarkan lubang hitam yang menguap.

Yang masih terbuka

Ini adalah studi teoretis oleh satu penulis, tentang satu peristiwa. Asal sebenarnya dari benturan di LZ tetap belum diketahui: makalah ini menyingkirkan satu penjelasan, tetapi tidak mengajukan penjelasan lain.