Undersøgelse identificerer en ny type daglig effekt for kosmisk stråleforstærket mørkt stof

I løbet af de sidste par årtier, astrofysikere og kosmologer har samlet forskellige observationer, der antyder eksistensen af ​​mørkt stof (DM), en type stof, der ikke absorberer, reflektere eller udsende lys, og kan således ikke detekteres ved brug af konventionelle teknikker til observation af elektromagnetisk stråling. Mens fysikere har forudsagt dens eksistens baseret på astrofysiske og kosmologiske observationer, indtil nu, DM er aldrig blevet observeret eksperimentelt.

Det mest følsomme massevindue for eksperimenter rettet mod direkte påvisning af DM med konventionelle teknologier (dvs. søgning efter nukleare rekyler i detektorer) er O(10 ^-100 )GeV. Når det kommer til lys DM, især det i sub-GeV-området, spredningen af ​​DM med kerner kan ikke producere et nukleart rekyl over den tærskel, ved hvilken det ville blive detekteret af eksisterende teknologier.

Forskere ved Shanghai Jiao Tong University og Purple Mountain Observatory af det kinesiske videnskabsakademi har forsøgt at identificere strategier, der kunne hjælpe med at overvinde denne udfordring og afsløre karakteristiske signaler for sub-GeV DM med et bredere følsomhedsområde (dvs. det ville være nemmere at opdage). En af deres seneste aviser, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , afgrænser en ny type daglig effekt, der er relevant for sub-GeV DM boostet af kosmiske stråler. Denne effekt kunne potentielt muliggøre direkte påvisning af sub-GeV DM med nukleare rekyler.

"Det blev påpeget i litteraturen, at så længe DM kan interagere med kerner, de energiske kerner i rummet (kosmiske stråler) kan -accelerere nogle DM-partikler til højere energi for at overvinde detektionstærsklen, naturligt at åbne lavmassevinduet, "Shao-Feng Ge og Qiang Yuan, to af de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Vi gik videre på dette ved at bemærke, at både DM og kosmiske stråler har høj tæthed omkring galaksecentret (GC)."

I scenariet betragtet af Ge, Yuan og deres kolleger, accelererede DM-partikler vil primært komme fra retningen af ​​GC, som giver en unik egenskab, der adskiller sig fra den almindelige del af DM. Mens detektionsteknikker baseret på analyse af nukleart rekyl ikke kan afsløre, hvilken retning DM-partikler ville komme fra, når GC er placeret på den modsatte side af Jorden fra hvor detektoren er, Jorden kunne skygge en stor del af accelereret DM.

Med andre ord, forskerne fandt, at hvis DM-kernespredningstværsnit er tilstrækkeligt store, fluxen af ​​DM dæmpes, når den forplanter sig gennem Jorden. Dette fører til en naturlig dagsmodulation, som kunne tjene som en karakteristisk signatur for accelereret DM.

"Den konventionelle døgneffekt er kun for langsomt bevægende (ikke-relativistiske) DM-partikler i vores galakse (såkaldt standard DM-halo), "Ge og Yuan sagde. "Effekten er ubetydelig lille enten fra direkte eksperimentelle begrænsninger, eller på grund af detektionstærsklen. For lette DM-partikler, på den anden side, DM-kerne-interaktionen er meget mindre begrænset, som giver plads til stærk daglig modulering."

I deres papir, forskerne viser, at acceleration af kosmisk stråle kunne muliggøre eller lette påvisningen af ​​DM-partikler. Ud over, de antyder, at den unikke døgnmodulationsadfærd, de beskrev, er karakteriseret ved en retningsbestemt og højere energiflux.

"Den daglige moduleringssignatur, der er foreslået i vores undersøgelse, kunne være en rygende pistol af kosmisk stråle boostet påvisning af mørkt stof, mens den dominerende baggrund fra radioaktive urenheder ikke har denne egenskab, "Ning Zhou og Jianglai Liu, to forskere involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Det nukleare rekylenergispektrum ville også udvise en daglig modulering, som kunne være et yderligere middel til at undertrykke potentiel baggrund."

Bemærkelsesværdigt, denne undersøgelse identificerede en ny signatur forbundet med kosmisk stråle boostet DM. I fremtiden, denne forskergruppe og andre teams kunne analysere data indsamlet tidligere, igangværende og fremtidige underjordiske DM-eksperimenter, søger specifikt efter den unikke dagmodulationssignatur, der er fremhævet i det seneste papir.

"Vi vil nu opfordre eksperimentatorer over hele verden til at udføre en omhyggelig søgning efter denne signatur i deres data, " sagde Zhou og Ge. "Mere om den teoretiske side, i vores papir er modellen af ​​jorddæmpningen behandlet med en forenklet model, som vi planlægger at forbedre. Vi vil også forsøge at afgøre, om der er en ideel kombination af flere underjordiske eksperimenter, som yderligere kan betyde påvisningen."

© 2021 Science X Network