Forskning identificerer detektionsbegrænsninger for mørke fotoner

Tidligere kosmologiske og astrofysiske observationer tyder på, at over en fjerdedel af universets energitæthed består af en ikke-konventionel type stof kendt som mørkt stof. Denne form for stof menes at være sammensat af partikler, der ikke absorberer, udsender eller reflekterer lys, og kan således ikke observeres direkte ved brug af konventionelle detektionsmetoder.

Forskere verden over har udført undersøgelser med det formål at opdage mørkt stof i universet, endnu indtil videre, ingen af ​​dem har haft succes. Selv den foretrukne kandidat til mørkt stof, svagt interagerende massive partikler (WIMP'er), er endnu ikke observeret eksperimentelt.

China Dark Matter Experiment (CDEX) samarbejde, et stort team af forskere ved Tsinghua University og andre universiteter i Kina, har for nylig foretaget en søgning efter en anden mulig mørk stofkandidat kendt som den mørke foton. Selvom søgningen mislykkedes, deres papir, udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve , identificerer nye begrænsninger på en mørk fotonparameter, der kan informere fremtidige undersøgelser.

"Den mørke foton, en hypotetisk usynlig partikel, er en attraktiv kandidat til mørkt stof, som også kunne være en ny interaktionsformidler mellem mørkt stof og normalt stof, "Qian Yue, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Undersøgelsen og påvisningen af ​​mørkt stof kan bidrage til udvidelsen af ​​standardmodellen (SM) af partikelfysik og udvide vores viden om universet."

CDEX-samarbejdet har gennemført søgninger efter lyst mørkt stof i nogen tid nu, ved hjælp af en 10 kg p-type punktkontakt germaniumdetektor installeret på China Jinping underjordisk laboratorium (CJPL). CJPL er den dybeste underjordiske forskningsfacilitet i verden, med en klippeoverflade på 2400 meter.

Detektoren, som forskerne brugte, består af tre tredobbelte germaniumdetektorstrenge, omgivet af 20 cm tyk, høj renhed, iltfrit kobber, som fungerer som et passivt skjold mod omgivende radioaktivitet. Dette instrument er direkte nedsænket i flydende nitrogen for at opretholde relativt kølige temperaturer.

"Mørke fotoner kan eksperimentelt detekteres gennem deres absorption og omdannelse til elektroner i germaniumdetektorerne i en proces, der er analog med den fotoelektriske effekt af SM-fotoner, Yue forklarede. "Intense fotonkilder, f.eks., solen, give en fremragende platform til at lede efter mørke fotoner. Ved en rækkevidde på 100 eV, lavenergitærsklen for punktkontakt germaniumdetektorer er særligt velegnet til undersøgelser af mørke fotoner."

I deres seneste papir, Yue og hans kolleger analyserede data indsamlet ved hjælp af detektoren på CJPL mellem februar 2017 og august 2018, søger efter solmørke fotoner og mørke fotoner, to mørkt stof-kandidater. Mens forskerne ikke var i stand til at observere signaler, der pegede på nogen af ​​disse kandidater, det lykkedes dem at sætte begrænsninger på den effektive kinetiske blandingsparameter mellem mørke fotoner og SM-fotoner.

"Som en attraktiv kandidat for mørkt stof og en ny mulig interaktionsformidler mellem mørkt stof og normalt stof, den mørke foton er attraktiv for yderligere teoretiske og eksperimentelle bestræbelser, " sagde Yue. "Vores arbejde har undersøgt et nyt parameterrum og sat de strengeste grænser for sol-mørke fotoner blandt de direkte detektionseksperimenter."

Den nylige undersøgelse udført af Yue og hans kolleger giver noget værdifuld ny feedback, der kunne informere fremtidige søgninger efter mørkt stof, især for mørke fotoner. I øvrigt, deres arbejde styrker den nuværende verdensomspændende interesse for at udforske andre mørkt stof-kandidater, går ud over WIMP'er og deres detektionskanal for elastisk spredning med kernen.

"For yderligere at fremme søgen efter lyst mørkt stof, vi geninstallerer CDEX-10 detektorarrayet i en ny, større flydende nitrogen kryotank med et volumen på ca. 1700 m ³ i Hall-C i det nye CJPL-II laboratorium i de næste to år, hvor afskærmning mod omgivende radioaktivitet er tilvejebragt af det 6 meter tykke flydende nitrogen, " sagde Yue. "Yderligere germaniumdetektorer, op til omkring 100 kg, er planlagt til indsættelse i kryotanken med reduceret baggrund og højere detektionseffektivitet."

© 2020 Science X Network