El evento LZ230616 es un caso aparte: se trata de un único retroceso nuclear de alta energía en el detector LZ, donde el fondo es casi inexistente. Junto a este trabajo hay en el archivo estudios que relacionan la materia oscura con la masa del neutrino, que investigan el higgsino en xenón líquido y que explican señales raras en el detector LZ mediante un director invisible. También hay trabajos sobre el dineutrón, el fondo de neutrinos de supernovas y los neutrinos de la primera etapa del universo. Todos ellos buscan, de un modo u otro, nuevas partículas o interacciones a través de detectores de xenón. Este artículo pone a prueba la hipótesis más conservadora: si el evento pudo haber sido causado por neutrinos ordinarios o exóticos mediante dispersión elástica.
Los autores calcularon los espectros de retrocesos nucleares procedentes de la dispersión elástica coherente de neutrinos en núcleos de xenón. Usaron una exposición de LZ de 2,84 toneladas·año y tuvieron en cuenta la resolución energética del detector mediante un suavizado gaussiano con una anchura de 1,46√T_N keV. La región de señal se definió como el intervalo de 225–271 keV, que contiene el evento LZ230616. Para cada fuente de neutrinos ajustaron los parámetros de modo que en la región de señal hubiera exactamente un evento, y luego comprobaron cuántos eventos se predicen a energías por debajo de 225 keV. Se consideraron neutrinos solares, atmosféricos y relicto estándar, así como neutrinos de la aniquilación y el decaimiento de materia oscura y de la evaporación de agujeros negros primordiales. Para las nuevas interacciones se introdujeron mediadores escalar y vectorial ligeros.
Los neutrinos astrofísicos estándar producen en la región de señal solo unos 2×10⁻⁶ eventos, seis órdenes de magnitud menos de lo necesario. Introducir nuevos mediadores escalar o vectorial que refuercen la sección eficaz para obtener un evento a 248 keV da lugar a unos 10⁵ eventos en los intervalos de baja energía. Esto contradice las observaciones de LZ. Para los neutrinos de la aniquilación de materia oscura se requiere una sección eficaz de aniquilación ⟨σv⟩≳10⁻¹⁸ cm³/s, muy por encima de las restricciones existentes, y la curva R_I=1 queda por completo dentro de la zona excluida por el exceso de eventos de baja energía. Algo parecido ocurre con la materia oscura que decae: el tiempo de vida requerido es τ_χ≲10¹⁵ s, muy inferior a los límites establecidos. Para los agujeros negros primordiales, obtener un solo evento exige una fracción f_PBH≥95 con una masa de 8×10¹⁴ g, lo que supera la densidad total de materia oscura, mientras que el exceso a bajas energías alcanza los 10²³ eventos para agujeros negros más pesados.
El trabajo se distingue de los estudios vecinos en que no propone un nuevo modelo de materia oscura, sino que cierra de forma sistemática toda una clase de explicaciones basadas en la dispersión elástica de neutrinos. Si los trabajos cercanos buscan una señal positiva, aquí se demuestra que la dispersión elástica de neutrinos de cualquier origen no puede dar un evento aislado de alta energía sin saturar la región de baja energía. Es la primera comprobación de este tipo para el evento LZ230616. El resultado refuerza la posición de los mecanismos inelásticos, como la dispersión endotérmica o exotérmica de materia oscura, que pueden crear un umbral y localizar la señal.
El tema puede avanzar hacia el estudio detallado de procesos inelásticos con participación de materia oscura, que explican de forma natural los eventos aislados de alta energía. También es posible analizar las señales de neutrinos teniendo en cuenta la dispersión inelástica en núcleos, lo que exige modelos nucleares más complejos. Además, los futuros datos de LZ con una mayor exposición permitirán comprobar si el LZ230616 es una fluctuación estadística o el primer indicio de nueva física.
El resultado es importante para interpretar los datos de los detectores de materia oscura de xenón líquido, como LZ, XENONnT y PandaX-4T. También impone restricciones a los modelos con mediadores ligeros y a los escenarios con neutrinos procedentes de materia oscura y de agujeros negros primordiales.
El siguiente paso es comprobar los canales inelásticos de dispersión, que podrían reproducir el evento LZ230616 sin un exceso a bajas energías. También es importante acumular más datos de LZ para precisar la significación estadística del evento.
En la física de la materia oscura sigue sin resolverse el problema de la naturaleza de sus partículas y de sus interacciones no gravitatorias. Este trabajo reduce el espacio de hipótesis al excluir la dispersión elástica de neutrinos como explicación de un evento raro de alta energía, y con ello empuja hacia modelos con procesos inelásticos o nuevas partículas.
Para obtener un solo evento de agujeros negros primordiales haría falta una fracción de ellos en la materia oscura de f_PBH≥95, lo que significa que tendría que haber más agujeros negros que toda la materia oscura del universo. Eso es físicamente imposible.