Undersøgelse:Kan mørkt stof gemmer sig i eksisterende data?

Mørkt stof har hidtil trodset enhver type detektor, der er designet til at finde det. På grund af dets enorme gravitationsfodaftryk i rummet, vi ved, at mørkt stof skal udgøre omkring 85 procent af universets samlede masse, men vi ved endnu ikke, hvad det er lavet af.

Adskillige store eksperimenter, der jager efter mørkt stof, har søgt efter tegn på mørkt stof, der banker ind i atomkerner via en proces kendt som spredning, som kan producere små lysglimt og andre signaler i disse interaktioner.

Nu en ny undersøgelse, ledet af forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley, foreslår nye veje til at fange signalerne fra mørkt stof partikler, som får deres energi absorberet af disse kerner.

Absorptionsprocessen kan give et berørt atom et spark, der får det til at skubbe en lighter ud, strømførende partikel såsom en elektron, og det kan producere andre typer signaler, også, afhængigt af arten af ​​den mørke stofpartikel.

Undersøgelsen fokuserer mest på de tilfælde, hvor en elektron eller neutrino skubbes ud, når partiklen i det mørke stof rammer et atomkerne.

Udgivet 4. maj i Fysisk gennemgangsbreve , undersøgelsen foreslår, at nogle eksisterende eksperimenter, inklusive dem, der søger efter mørkt stof partikler og processer relateret til neutrinoer - spøgelsesagtige, påviselige partikler, der kan passere gennem det meste stof og har evnen til at ændre sig til forskellige former - kan nemt udvides til også at lede efter disse absorptionsrelaterede typer af afslørende mørkt stof-signaler.

Også, forskerne foreslår, at nye søgninger i tidligere indsamlede partikeldetektordata muligvis kan vise disse oversete mørkt stof-signaler.

"På dette felt vi har haft en bestemt idé i tankerne om velmotiverede kandidater til mørkt stof, såsom WIMP, "eller svagt interagerende massiv partikel, sagde Jeff Dror, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen, der er postdoktor i Berkeley Lab's Theory Group og UC Berkeleys Berkeley Center for teoretisk fysik.

Mørkt stof skubber på grænserne for fysikkens kendte grundlæggende love, indkapslet i standardmodellen for partikelfysik, og "WIMP-paradigmet er meget nemt at bygge ind i standardmodellen, men vi har ikke fundet det i lang tid, " bemærkede Dror.

Så, fysikere overvejer nu andre steder, hvor mørkt stof partikler kan gemme sig, og andre partikelmuligheder såsom teoretiserede "sterile neutrinoer", der også kunne bringes ind i familien af ​​partikler kendt som fermioner - som omfatter elektroner, protoner, og neutrinoer.

"Det er nemt, med små ændringer til WIMP-paradigmet, for at rumme en helt anden type signal, " sagde Dror. "Du kan gøre store fremskridt med meget små omkostninger, hvis du træder lidt tilbage i den måde, vi har tænkt på mørkt stof."

Robert McGehee, en kandidatstuderende ved UC Berkeley, og Gilly Elor fra University of Washington var medforfattere af undersøgelsen.

Forskerne bemærker, at rækken af ​​nye signaler, de fokuserer på, åbner op for et "hav" af muligheder for mørkt stofpartikel:nemlig endnu uopdagede fermioner med masser, der er lettere end det typiske område, der anses for WIMP'er. De kunne være nære fætre til sterile neutrinoer, for eksempel.

Undersøgelsesholdet overvejede absorptionsprocesser kendt som "neutral strøm, "hvor kerner i detektormaterialet rekylerer, eller blive rystet af deres kollision med mørkt stof partikler, producerer distinkte energisignaturer, der kan opfanges af detektoren; og også dem kendt som "ladet strøm, "som kan producere flere signaler, når en mørk stofpartikel rammer en kerne, forårsager rekyl og udslyngning af en elektron.

Ladestrømsprocessen kan også indebære atomforfald, hvori andre partikler udstødes fra en kerne som en slags dominoeffekt udløst af absorptionen af ​​mørkt stof.

At lede efter undersøgelsens foreslåede signaturer af både neutralstrøms- og ladestrømsprocesserne kunne åbne op for "størrelsesordener af uudforsket parameterrum, " bemærker forskerne. De fokuserer på energisignaler i MeV, hvilket betyder millioner af elektronvolt. En elektronvolt er et mål for energi, som fysikere bruger til at beskrive massen af ​​partikler. I mellemtiden, typiske WIMP-søgninger er nu følsomme over for partikelinteraktioner med energier i keV-området, eller tusindvis af elektronvolt.

For de forskellige partikelinteraktioner, forskerne udforskede i undersøgelsen, "Du kan forudsige, hvad energispektret er for den partikel, der kommer ud, eller den nukleon, der får 'kick'et, '" sagde Dror. Nucleon refererer til den positivt ladede proton eller uladede neutron, der befinder sig i et atoms kerne, og som kan absorbere energi, når den rammes af en mørk stofpartikel. Disse absorptionssignaler kan muligvis være mere almindelige end de andre typer signaler, der mørke stofdetektorer er typisk designet til at finde, tilføjede han - vi ved det bare ikke endnu.

Eksperimenter med store mængder detektormateriale, med høj følsomhed og meget lav baggrundsstøj, "eller uønsket interferens fra andre typer partikelsignaler, er særligt velegnede til denne udvidede søgning efter forskellige typer mørkt stof-signaler, sagde Dror.

LUX-ZEPLIN (LZ), for eksempel, et ultrafølsomt Berkeley Lab-ledet søgeprojekt om mørkt stof under opførelse i en tidligere South Dakota-mine, er en mulig kandidat, da den vil bruge omkring 10 tons flydende xenon som detektormedium og er designet til at være stærkt afskærmet mod andre typer partikelstøj.

Allerede, holdet af forskere, der deltager i undersøgelsen, har arbejdet sammen med holdet, der driver Enriched Xenon Observatory (EXO), et underjordisk eksperiment, der søger efter en teoretiseret proces kendt som neutrino-frit dobbelt beta-henfald ved hjælp af flydende xenon, at åbne sin søgning for disse andre typer mørkt stof-signaler.

Og for lignende typer eksperimenter, der er i gang, "Dataene sidder der allerede i bund og grund. Det er bare et spørgsmål om at se på det, "Sagde Dror.

Forskerne navngiver en vasketøjsliste over kandidateksperimenter rundt om i verden, der kan have relevante data og søgefunktioner, der kan bruges til at finde deres målsignaler, inklusive:CUORE, LZ forgænger LUX, PandaX-II, XENON1T, KamLAND-Zen, SuperKamiokande, CDMS-II, DarkSide-50, og Borexino blandt dem.

Som et næste trin, forskerholdet håber at arbejde med eksperimentsamarbejder for at analysere eksisterende data, og for at finde ud af, om søgeparametre for aktive eksperimenter kan justeres til at søge efter andre signaler.

"Jeg tror, ​​at samfundet begynder at blive nogenlunde opmærksomt på dette, Dror sagde, tilføjer, "Et af de største spørgsmål på området er mørket stofs natur. Vi ved ikke, hvad det er lavet af, men besvarelse af disse spørgsmål kan være inden for vores rækkevidde i den nærmeste fremtid. For mig, det er en enorm motivation til at blive ved med at presse på - der er ny fysik derude."