Een team van onderzoekers in de Republiek Korea, de VS, Brazilië, Indonesië en het VK hebben onlangs een directe zoektocht uitgevoerd naar inelastische versterkte donkere materie (IBDM) met behulp van een terrestrische detector. hun studie, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven ( PRL ), is de eerste ooit die experimenteel naar IBDM zoekt met behulp van een terrestrische detector.

Waarnemingen verzameld door eerdere astrofysische studies suggereren dat de dominante materiecomponent van het universum geen gewone materie is, maar niet-baryonische donkere materie. Onderzoekers hebben enorme inspanningen geleverd om via directe detectie naar donkere materie te zoeken, indirecte detectie en botsingsexperimenten, maar zo ver, hun pogingen zijn mislukt.

Dit gebrek aan succes moedigde hen aan om op zoek te gaan naar alternatieve soorten donkere materie, zoals lichte-massamodellen of relativistisch versterkte donkere materie (BDM), die aanzienlijk verschillende handtekeningen in detectoren zou hebben. Juist omdat deze nieuwe soorten donkere materie onconventionele handtekeningen zouden opleveren, zeer weinigen van hen waren de focus van traditionele experimenten met donkere materie.

"Hoewel wetenschappers de afgelopen decennia consequent hebben gezocht naar WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) donkere materie, nog geen duidelijke signalen waargenomen, "Hyun Su Lee, een onderzoeker aan het Institute for Basic Science in Daejeon, Korea, die de recente studie heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Dit heeft zoekers naar andere soorten donkere materie gemotiveerd, die aanzienlijk verschillende signalen in de detector kunnen geven. Een idee is het zoeken naar donkere materie met meerdere componenten. In dit geval, elke component van donkere materie is waarschijnlijk WIMP donkere materie, maar het heeft een andere massa."

Een paar jaar geleden, Onderzoekers van de Universiteit van Maryland en MIT introduceerden een nieuw model dat een relativistisch deeltje van donkere materie beschrijft dat wordt versterkt door de vernietiging van zwaardere deelwoorden van donkere materie in het galactische centrum of de zon. Volgens hun model hiervoor zijn ten minste twee soorten donkere materiedeeltjes nodig, bestaande uit een meercomponenten donkere materie.

Kandidaten voor donkere materie met een zwaardere massa kunnen vervallen tot lichte donkere materie. Omdat massa gelijk is aan energie, in het geval van meercomponenten donkere materie, massaverschillen tussen verschillende componenten zouden leiden tot een hoge snelheid van lichte donkere materie. De term 'versterkte donkere materie, ' daarom, betekent in feite dat invallende donkere materie een relatief hoge snelheid heeft.

"Het verwachte signaal van donkere materie met hoge snelheid is energetische elektronenterugslag, terwijl typische donkere materie een laagenergetische nucleaire terugslag veroorzaakt, Lee legde uit. "Deze theorie is de afgelopen jaren flink ontwikkeld. Daarna, theoretici begonnen na te denken over inelastische verstrooiing, vanwege de meerdere componenten van donkere materie."

Bij scheikunde en natuurkunde Inelastische verstrooiing is een fundamenteel proces waarbij de kinetische energie van een invallend deeltje niet behouden blijft, maar wordt ofwel verloren ofwel verhoogd. Onderzoekers van CERN, evenals andere instellingen in Korea en de VS hebben een inelastische interactie van versterkte donkere materie getheoretiseerd. Volgens hun theorieën relativistische donkere materie interageert met het doelmateriaal door inelastische verstrooiing met elektronen, het creëren van een zwaardere toestand die later standaardmodeldeeltjes produceert, zoals elektron-positron-paren.

"Bij inelastische verstrooiing, het eerste energetische elektron wordt geproduceerd met een extra donkere sectordeeltje, Lee legde uit. "Zo'n deeltje in de donkere sector vervalt met enige verplaatsing in een elektronen-positronenpaar. Tot dusver, geen experimenten hebben dit soort signalen zorgvuldig bestudeerd, dus we dachten dat dit een goed alternatief scenario zou kunnen zijn om het probleem van de donkere materie te verklaren."

In hun studie hebben Lee en zijn collega's voerden de eerste directe zoektocht naar IBDM uit met een terrestrische detector. Eigenlijk, ze dompelden acht Nal(TI)-kristallen met een totale massa van 106 kg onder in een 2, 200L vloeibare scintillator omgeven door zware schilden om radioactieve achtergronden te blokkeren.

"We gebruikten zowel NaI(Tl), 106kg, en LS, 2ton, als een actieve detector om te zoeken naar één energetisch elektron plus elektron-positronenpaar dat energieën deponeerde in twee verschillende detectorcomponenten, " zei Lee. "Vanwege de grote massa van de detector en zijn vele componenten, het bereikt een relatief goede gevoeligheid voor dit soort signalen."

Helaas, Lee en zijn collega's konden geen IBDM-signalen in hun data detecteren. Niettemin, die van hen is een baanbrekende studie, aangezien niemand eerder detectoren had gebruikt om naar dit specifieke type donkere materie te zoeken.

Hun werk maakt deel uit van een groter project, genaamd COSINE-100, die specifiek gericht is op het testen van de jaarlijkse modulatie van donkere materie die is waargenomen door het DAMA-experiment. De onderzoekers denken dat verder zoeken naar IBDM-signalen met dezelfde detector of andere ton-scale donkeremateriedetectoren vruchtbaarder zal zijn.

"Voor de versterkte zoektocht naar donkere materie, we zullen onze analyse verbeteren door een ongeveer 10 keer grotere dataset te gebruiken die we al op schijf hebben, " zei Lee. "We zijn ook van plan om elastische verstrooiingskanalen te zoeken en verwachten dat een bijgewerkte zoekopdracht grote parameterruimten zal verkennen die nog niet in andere experimenten zijn doorzocht."

© 2019 Wetenschap X Netwerk