Den første direkte søgning efter uelastisk boostet mørkt stof med en terrestrisk detektor

Et team af forskere i Republikken Korea, USA., Brasilien, Indonesien og Storbritannien har for nylig udført en direkte søgning efter uelastisk boostet mørkt stof (IBDM) ved hjælp af en terrestrisk detektor. Deres studie, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve ( PRL ), er den første nogensinde til at søge eksperimentelt efter IBDM ved hjælp af en terrestrisk detektor.

Observationer indsamlet af tidligere astrofysiske undersøgelser tyder på, at universets dominerende stofkomponent ikke er almindeligt stof, men ikke-baryonisk mørkt stof. Forskere har gjort en enorm indsats for at søge efter mørkt stof via direkte detektion, indirekte detektion og kolliderer eksperimenter, endnu indtil videre, deres forsøg har været forgæves.

Denne mangel på succes tilskyndede dem til at søge efter alternative typer mørkt stof, såsom lysmassemodeller eller relativistisk boostet mørkt stof (BDM), som ville have væsentligt forskellige signaturer i detektorer. Netop fordi disse nye slags mørkt stof ville producere ukonventionelle signaturer, meget få af dem har været i fokus for traditionelle mørkt stof-eksperimenter.

"Selvom forskere konsekvent har søgt efter WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) mørkt stof i løbet af de sidste par årtier, der er endnu ikke observeret klare signaler, "Hyun Su Lee, en forsker ved Institute for Basic Science i Daejeon, Korea, der udførte den nylige undersøgelse, fortalte Phys.org. "Dette har motiveret søgere efter andre typer mørkt stof, hvilket kan give væsentligt forskellige signaler i detektoren. En idé er at søge efter multi-komponent mørkt stof. I dette tilfælde, hver mørkt stof komponent er sandsynligvis WIMP mørkt stof, men den har en anden masse."

Et par år siden, forskere ved University of Maryland og MIT introducerede en ny model, der beskriver en relativistisk mørkt stof-partikel boostet af udslettelse af tungere mørkt stof-partikler i det galaktiske center eller solen. Ifølge deres model, dette ville kræve mindst to arter af mørkt stof partikler, omfattende et multikomponent mørkt stof.

Mørkt stofkandidater med en tungere masse kan henfalde til lyst mørkt stof. Da masse er ækvivalent med energi, i tilfælde af multi-komponent mørkt stof, masseforskelle mellem forskellige komponenter ville føre til høj hastighed af lyst mørkt stof. Udtrykket 'boostet mørkt stof, ' derfor, betyder grundlæggende, at indfaldende mørkt stof har en relativt høj hastighed.

"Det forventede signal fra mørkt stof med høj hastighed er energetisk elektronrekyl, mens typisk mørkt stof bringer lavenergi nuklear rekyl, " Lee forklarede. "Denne teori er blevet betydeligt udviklet i løbet af de sidste par år. Efter det, teoretikere begyndte at tænke på uelastisk spredning, på grund af de mange komponenter af mørkt stof."

I kemi og fysik, Uelastisk spredning er en fundamental proces, hvor den kinetiske energi af en indfaldende partikel ikke bevares, men er enten tabt eller forøget. Forskere ved CERN, såvel som andre institutioner i Korea og USA har teoretiseret en uelastisk interaktion af boostet mørkt stof. Ifølge deres teorier, relativistisk mørkt stof interagerer med målmaterialet gennem uelastisk spredning med elektroner, skabe en tungere tilstand, der senere producerer standardmodelpartikler, såsom elektron-positron-par.

"Ved uelastisk spredning, den første energiske elektron produceres med en ekstra mørk sektorpartikel, " Lee forklarede. "Sådan en mørk sektorpartikel henfalder til et elektronpositronpar med en vis forskydning. Indtil nu, ingen eksperimenter har omhyggeligt studeret denne slags signaler, så vi troede, at dette kunne være et godt alternativt scenario til at forklare problemet med mørkt stof."

I deres undersøgelse, Lee og hans kolleger udførte den første direkte søgning efter IBDM med en jordbaseret detektor. I det væsentlige, de nedsænkede otte Nal(TI)-krystaller med en samlet masse på 106 kg i en 2, 200L væskescintillator omgivet af tunge skjolde for at blokere radioaktiv baggrund.

"Vi brugte både NaI(Tl), 106 kg, og LS, 2 ton, som en aktiv detektor til at søge efter et energetisk elektron plus elektron positronpar, der afsatte energier i to forskellige detektorkomponenter, " sagde Lee. "På grund af den store masse af detektoren og dens mange komponenter, den opnår en relativt god følsomhed for disse typer signaler."

Desværre, Lee og hans kolleger var ikke i stand til at opdage IBDM-signaler i deres data. Ikke desto mindre, deres er et banebrydende studie, da ingen tidligere havde brugt detektorer til at søge efter denne særlige type mørkt stof.

Deres arbejde er en del af et større projekt, døbt COSINE-100, som specifikt er rettet mod at teste årsmodulation af mørkt stof observeret af DAMA-eksperimentet. Forskerne mener, at yderligere søgninger efter IBDM-signaler ved hjælp af den samme detektor eller andre mørkestofdetektorer i tonskala vil være mere frugtbare.

"Til den forstærkede søgning efter mørkt stof, vi vil forbedre vores analyse ved at bruge omkring 10 gange større datasæt, som vi allerede har på disken, " sagde Lee. "Vi planlægger også at søge efter elastiske spredningskanaler og forventer, at en opdateret søgning vil udforske store parameterrum, som endnu ikke er blevet søgt i andre eksperimenter."

© 2019 Science X Network