Donkere materie heeft tot nu toe elk type detector getrotseerd om het te vinden. Vanwege zijn enorme zwaartekracht in de ruimte, we weten dat donkere materie ongeveer 85 procent van de totale massa van het heelal moet uitmaken, maar we weten nog niet waar het van gemaakt is.

Verschillende grote experimenten die op donkere materie jagen, hebben gezocht naar tekenen van donkere materiedeeltjes die in atoomkernen terechtkomen via een proces dat bekend staat als verstrooiing. die in deze interacties kleine lichtflitsen en andere signalen kunnen produceren.

Nu een nieuwe studie, geleid door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) en UC Berkeley, suggereert nieuwe paden voor het opvangen van de signalen van donkere materiedeeltjes waarvan de energie door deze kernen wordt geabsorbeerd.

Het absorptieproces kan een aangetast atoom een ​​kick geven waardoor het een aansteker uitwerpt, geactiveerd deeltje zoals een elektron, en het kan andere soorten signalen produceren, te, afhankelijk van de aard van het donkere materiedeeltje.

De studie richt zich vooral op die gevallen waarin een elektron of neutrino wordt uitgestoten wanneer het donkere materiedeeltje de atoomkern raakt.

Gepubliceerd op 4 mei in Fysieke beoordelingsbrieven , de studie stelt voor dat sommige bestaande experimenten, waaronder degenen die zoeken naar donkere materiedeeltjes en processen die verband houden met neutrino's - spookachtig, detecteerbare deeltjes die door de meeste materie kunnen gaan en het vermogen hebben om in verschillende vormen te veranderen - kunnen gemakkelijk worden uitgebreid om ook te zoeken naar deze absorptiegerelateerde soorten veelbetekenende donkere-materiesignalen.

Ook, de onderzoekers stellen voor dat nieuwe zoekopdrachten in eerder verzamelde deeltjesdetectorgegevens mogelijk deze over het hoofd gezien signalen van donkere materie kunnen opleveren.

"In dit veld, we hadden een bepaald idee in gedachten over goed gemotiveerde kandidaten voor donkere materie, zoals de WIMP, " of zwak interagerend massief deeltje, zei Jeff Dror, de hoofdauteur van de studie die een postdoctoraal onderzoeker is in de Theory Group van Berkeley Lab en het Berkeley Center for Theoretical Physics van UC Berkeley.

Donkere materie duwt tegen de grenzen van de bekende fundamentele natuurwetten, ingekapseld in het standaardmodel van deeltjesfysica, en "Het WIMP-paradigma is heel eenvoudig in te bouwen in het standaardmodel, maar we hebben het al lang niet meer gevonden, ’ merkte Dror op.

Dus, natuurkundigen overwegen nu andere plaatsen waar donkere materiedeeltjes zich kunnen verbergen, en andere deeltjesmogelijkheden zoals getheoretiseerde "steriele neutrino's" die ook in de familie van deeltjes kunnen worden gebracht die bekend staan ​​​​als fermionen - waaronder elektronen, protonen, en neutrino's.

"Het is makkelijk, met kleine aanpassingen aan het WIMP-paradigma, om een ​​heel ander type signaal te accommoderen, "Zei Dror. "Je kunt met weinig kosten enorm veel vooruitgang boeken als je een stapje terug doet in de manier waarop we over donkere materie hebben gedacht."

Robert Mcgehee, een afgestudeerde student van UC Berkeley, en Gilly Elor van de Universiteit van Washington waren co-auteurs van de studie.

De onderzoekers merken op dat het bereik van nieuwe signalen waarop ze zich concentreren een "oceaan" van mogelijkheden voor donkere materiedeeltjes opent:namelijk nog onontdekte fermionen met massa's die lichter zijn dan het typische bereik dat wordt overwogen voor WIMP's. Ze kunnen nauw verwant zijn aan steriele neutrino's, bijvoorbeeld.

Het onderzoeksteam beschouwde absorptieprocessen die bekend staan ​​als "neutrale stroom, " waarin kernen in het detectormateriaal terugdeinzen, of geschokt worden door hun botsing met donkere materiedeeltjes, het produceren van verschillende energiesignaturen die door de detector kunnen worden opgepikt; en ook die bekend staan ​​als "opgeladen stroom, " die meerdere signalen kan produceren als een donkeremateriedeeltje een kern raakt, waardoor een terugslag en de uitwerping van een elektron.

Het laadstroomproces kan ook kernverval inhouden, waarin andere deeltjes uit een kern worden uitgestoten als een soort domino-effect veroorzaakt door de absorptie van donkere materie.

Zoeken naar de door de studie voorgestelde handtekeningen van zowel de neutrale stroom- als de laadstroomprocessen zou "orden van grootte van onontgonnen parameterruimte kunnen openen, " merken de onderzoekers op. Ze richten zich op energiesignalen in de MeV, wat miljoenen elektronvolt betekent. Een elektronvolt is een maat voor energie die natuurkundigen gebruiken om de massa's van deeltjes te beschrijven. In de tussentijd, typische WIMP-zoekopdrachten zijn nu gevoelig voor deeltjesinteracties met energieën in het keV-bereik, of duizenden elektronvolt.

Voor de verschillende deeltjesinteracties die de onderzoekers in het onderzoek hebben onderzocht, "Je kunt voorspellen wat het energiespectrum is van het deeltje dat naar buiten komt of het nucleon dat de 'kick' krijgt, '" Zei Dror. Nucleon verwijst naar het positief geladen proton of ongeladen neutron dat zich in de kern van een atoom bevindt en dat energie zou kunnen absorberen wanneer het wordt geraakt door een deeltje van donkere materie. Deze absorptiesignalen kunnen mogelijk vaker voorkomen dan de andere soorten signalen die donker zijn. materiedetectoren zijn doorgaans ontworpen om te vinden, voegde hij eraan toe - we weten het gewoon nog niet.

Experimenten met grote hoeveelheden detectormateriaal, met hoge gevoeligheid en zeer lage achtergrondruis, " of ongewenste interferentie van andere soorten deeltjessignalen, zijn bijzonder geschikt voor deze uitgebreide zoektocht naar verschillende soorten signalen van donkere materie, zei Dror.

LUX-ZEPLIN (LZ), bijvoorbeeld, een ultragevoelig door Berkeley Lab geleid onderzoek naar donkere materie in aanbouw in een voormalige mijn in South Dakota, is een mogelijke kandidaat omdat het ongeveer 10 ton vloeibaar xenon als detectormedium zal gebruiken en is ontworpen om zwaar te worden afgeschermd van andere soorten deeltjesruis.

Nu al, het team van onderzoekers dat aan het onderzoek deelnam, heeft samengewerkt met het team dat het Enriched Xenon Observatory (EXO) exploiteert, een ondergronds experiment op zoek naar een theoretisch proces dat bekend staat als neutrino-loos dubbel bètaverval met behulp van vloeibaar xenon, om zijn zoektocht open te stellen voor deze andere soorten signalen van donkere materie.

En voor soortgelijke soorten experimenten die momenteel worden uitgevoerd, "De gegevens zitten er eigenlijk al in. Het is gewoon een kwestie van ernaar kijken, ' zei Dror.

De onderzoekers noemen een waslijst van kandidaat-experimenten over de hele wereld die relevante gegevens en zoekmogelijkheden kunnen hebben die kunnen worden gebruikt om hun doelsignalen te vinden, waaronder:CUORE, LZ voorganger LUX, PandaX-II, XENON1T, KamLAND-Zen, SuperKamiokande, CDMS-II, DarkSide-50, en Borexino onder hen.

Als volgende stap, het onderzoeksteam hoopt te werken met experimentele samenwerkingen om bestaande gegevens te analyseren, en om na te gaan of zoekparameters van actieve experimenten kunnen worden aangepast om naar andere signalen te zoeken.

"Ik denk dat de gemeenschap zich hier redelijk bewust van begint te worden, "Dor zei, toevoegen, "Een van de grootste vragen in het veld is de aard van donkere materie. We weten niet waar het van gemaakt is, maar het beantwoorden van deze vragen zou in de nabije toekomst binnen ons bereik kunnen liggen. Voor mij, dat is een enorme motivatie om door te gaan - er is nieuwe fysica."