Natuurkundigen over de hele wereld blijven zoeken naar donkere materie, een ongrijpbaar type materie dat geen licht absorbeert, weerkaatst of uitstraalt en waarvan wordt aangenomen dat het de meeste materie in het universum uitmaakt. Een type donkere materie waar veel teams specifiek naar op zoek zijn, is sub-GeV donkere materie, donkere materiedeeltjes met een massa kleiner dan GeV (giga-elektronvolt).

De PandaX-II-samenwerking, een groot team van onderzoekers die aan verschillende instituten en universiteiten in China werken, heeft onlangs een zoektocht uitgevoerd naar door kosmische straling versterkte donkere materie, met behulp van gegevens die zijn verzameld door de PandaX-II-detector, die zich in de China Jinping Underground bevindt. Laboratorium. Hun resultaten, gepubliceerd in Physical Review Letters (PRL) , verbreed de onderzochte parameterruimte voor donkere materie tot massa's van 0,1 MeV tot GeV.

"Lichte donkere materie, met een massa kleiner dan de protonmassa, werd meestal niet onderzocht in directe detectie, omdat het niet voldoende nucleaire terugslag kan produceren om de detectordrempel te overschrijden", vertelden de onderzoekers Phys.org via e-mail. "Gelukkig kunnen de lichte donkere materiedeeltjes in de ruimte worden geschopt door kosmische straling om een ​​relativistische snelheid te hebben. Hierdoor kunnen ze de directe detectiedrempel overschrijden, zoals voor het eerst werd opgemerkt door onderzoekers Torsten Bringmann en Maxim Pospelov."

In hun recente onderzoek keek de PandaX-II-samenwerking specifiek naar het dagelijkse modulatiesignaal van donkere materie dat wordt "versterkt" door kosmische straling. Om dit te doen, analyseerden ze de gegevens die werden verzameld door de PandaX-II-detector in de laatste proef van het experiment.

Hun analyses bouwden voort op een van hun eerdere fenomenologische papers, die begin 2021 in PRL werden gepubliceerd. In dit eerdere werk had het team voor het eerst opgemerkt dat donkere materie met kosmische straling, die voornamelijk afkomstig is uit de kern van ons melkwegstelsel, een unieke modulatiesignatuur had.

"Donkere materie legt een bepaalde afstand af binnen de aarde voordat het de detector bereikt, die drastisch varieert van 2 km tot 13000 km, afhankelijk van de rotatie van de aarde", aldus de onderzoekers. "Hoe langer de afstand, hoe sterker de verzwakkingseffecten."

Op basis van hun waarnemingen realiseerde de PandaX-II-samenwerking zich dat een combinatie van de afstand die donkere materie binnen de aarde aflegde en de verzwakkingseffecten ervan leidde tot een unieke dagelijkse modulatie. In hun nieuwe onderzoek gingen ze dus experimenteel op zoek naar deze dagelijkse modulatie, door echte gegevens te analyseren die zijn verzameld door het PandaX-II-experiment.

"We gebruikten de volledige gegevens, voor een totaal van 100 ton per dag, verzameld door het PandaX-II-experiment in het China Jinping Underground Laboratory", legden de onderzoekers uit. "Naast de unieke sterrentijd hebben we ook rekening gehouden met de karakteristieke hoge terugslagenergieverdeling van de gebeurtenissen. Deze twee verschillende functies worden gebruikt om de achtergrond te onderdrukken en de signaalgevoeligheid te verbeteren."

Eerst maakte het team een ​​reeks theoretische overwegingen. Ze hebben met name de verdeling van donkere materie en kosmische straling in onze melkweg zorgvuldig overwogen, met behulp van een reeks theoretische modellen.

"We hebben de voortplanting van donkere materie in de aarde gemodelleerd met behulp van een volledige Monte Carlo-simulatiemethode, inclusief een gedetailleerd Jinping Mountain-profiel", aldus de PandaX-II-samenwerking. "Om de systematische onzekerheid die gepaard gaat met onsamenhangende en inelastische verstrooiing door de aarde te vermijden, hebben we een energiegrenswaarde ingesteld op 200 MeV, wat leidt tot een conservatieve en robuuste uitsluiting."

De recente analyses die door dit team van onderzoekers zijn uitgevoerd, kunnen een belangrijke bijdrage leveren aan het zoeken naar sub-GeV donkere materie. In feite breiden hun resultaten de onderzochte parameterruimte voor donkere materie aanzienlijk uit van 0,1 MeV tot GeV, wat een cruciaal type donkere materie-nucleon-interacties omvat dat voorheen ontoegankelijk was voor astrofysische en kosmologische sondes.

Met behulp van dezelfde experimentele opstelling en datasets die in hun eerdere analyses werden gebruikt, slaagde het team erin om extra inzicht te verzamelen, waardoor uiteindelijk het "territorium" werd uitgebreid dat werd verkend door experimenten die gericht waren op het rechtstreeks detecteren van donkere materie. De PandaX-samenwerking voert nu een nieuw experiment uit, bekend als het PandaX-4T-experiment. Het team is van plan verdere analyses uit te voeren op de nieuw verzamelde gegevens.

"Dit nieuwe experiment zal naar verwachting de blootstelling met meer dan een orde van grootte verbeteren en de achtergrond aanzienlijk verminderen", voegde de onderzoekers eraan toe. "In onze volgende onderzoeken zullen we de nieuwe gegevens gebruiken om de gevoeligheid van de detectie van lichte donkere materie verder te verbeteren door middel van het cosmic-ray-boosting-mechanisme. We zullen ook actief op zoek gaan naar unieke kanalen om onze gegevens maximaal te gebruiken om naar nieuwe fysica te zoeken verschijnselen in het algemeen." + Verder verkennen

De resultaten onderzoeken van nieuwe zoekopdrachten naar donkere materie door de samenwerkingen PandaX-4T en ADMX

© 2022 Science X Network