Kosmologische en astrofysische waarnemingen uit het verleden suggereren dat meer dan een kwart van de energiedichtheid van het universum bestaat uit een niet-conventioneel type materie dat bekend staat als donkere materie. Men denkt dat dit soort materie bestaat uit deeltjes die niet absorberen, licht uitstralen of weerkaatsen, en kan dus niet direct worden waargenomen met behulp van conventionele detectiemethoden.

Wereldwijd hebben onderzoekers studies uitgevoerd die gericht zijn op het detecteren van donkere materie in het heelal, maar zo ver, geen van hen is succesvol geweest. Zelfs de voorkeurskandidaat voor donkere materie, zwak interagerende massieve deeltjes (WIMP's), zijn nog niet experimenteel waargenomen.

De samenwerking met China Dark Matter Experiment (CDEX), een groot team van onderzoekers aan de Tsinghua University en andere universiteiten in China, heeft onlangs een zoektocht uitgevoerd naar een andere mogelijke kandidaat voor donkere materie die bekend staat als het donkere foton. Hoewel de zoektocht niet succesvol was, hun papier, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , identificeert nieuwe beperkingen op een donkere fotonparameter die toekomstige studies zouden kunnen informeren.

"Het donkere foton, een hypothetisch onzichtbaar deeltje, is een aantrekkelijke kandidaat voor donkere materie, die ook een nieuwe interactiemediator tussen donkere materie en normale materie zou kunnen zijn, "Qian Yue, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "De studie en detectie van donkere materie kan bijdragen aan de uitbreiding van het standaardmodel (SM) van deeltjesfysica en onze kennis van het universum vergroten."

De CDEX-samenwerking zoekt al geruime tijd naar lichte donkere materie, met behulp van een p-type germaniumdetector met puntcontact van 10 kg, geïnstalleerd in het ondergrondse laboratorium van China Jinping (CJPL). CJPL is de diepste ondergrondse onderzoeksfaciliteit ter wereld, met een rotsdeklaag van 2400 meter.

De detector die door de onderzoekers wordt gebruikt, bestaat uit drie triple-element germanium detectorstrings, omgeven door 20 cm dikke, hoge zuiverheid, zuurstofvrij koper, dat fungeert als een passief schild tegen radioactiviteit in de omgeving. Dit instrument wordt direct ondergedompeld in vloeibare stikstof om relatief koele temperaturen te behouden.

"Donkere fotonen kunnen experimenteel worden gedetecteerd door hun absorptie en omzetting in elektronen in de germaniumdetectoren in een proces dat analoog is aan het foto-elektrische effect van SM-fotonen, Yue legde uit. "Intense fotonbronnen, bijv. de zon, bieden een uitstekend platform om naar donkere fotonen te zoeken. Bij een bereik van 100 eV, de lage energiedrempel van point-contact germaniumdetectoren is bijzonder geschikt voor de studies van donkere fotonen."

In hun recente krant Yue en zijn collega's analyseerden gegevens die tussen februari 2017 en augustus 2018 werden verzameld met behulp van de detector bij CJPL. zoeken naar donkere zonnefotonen en donkere fotonen, twee kandidaten voor donkere materie. Hoewel de onderzoekers geen signalen konden waarnemen die naar een van deze kandidaten wijzen, ze slaagden erin beperkingen te stellen aan de effectieve kinetische mengparameter tussen donkere fotonen en SM-fotonen.

"Als een aantrekkelijke kandidaat voor donkere materie en een nieuwe mogelijke interactiebemiddelaar tussen donkere materie en normale materie, het donkere foton is aantrekkelijk voor verdere theoretische en experimentele inspanningen, "Zei Yue. "Ons werk heeft een nieuwe parameterruimte onderzocht en de strengste limieten gesteld aan donkere zonnefotonen onder de directe detectie-experimenten."

De recente studie uitgevoerd door Yue en zijn collega's levert waardevolle nieuwe feedback op die toekomstige zoekopdrachten naar donkere materie zou kunnen helpen. vooral voor donkere fotonen. Bovendien, hun werk versterkt de huidige wereldwijde interesse in het verkennen van andere kandidaten voor donkere materie, verder gaan dan WIMP's en hun detectiekanaal van elastische verstrooiing met de kern.

"Om de zoektocht naar lichte donkere materie verder te bevorderen, zullen we de CDEX-10 detectorarray opnieuw installeren in een nieuwe, grotere vloeibare stikstof cryotank met een inhoud van ongeveer 1700 m ³ in Hall-C van het nieuwe CJPL-II-laboratorium in de komende twee jaar, waar afscherming tegen radioactiviteit in de omgeving wordt geboden door de 6 meter dikke vloeibare stikstof, "Zei Yue. "Extra germaniumdetectoren, tot ongeveer 100 kg, zijn gepland voor inzet in de cryotank met verminderde achtergrond en hogere detectie-efficiëntie."

© 2020 Wetenschap X Netwerk