Søgning efter kosmisk-stråle-boostet sub-GeV mørkt stof ved hjælp af data fra PandaX-II-eksperimentet

Fysikere verden over fortsætter deres søgen efter mørkt stof, en uhåndgribelig type stof, der ikke absorberer, reflekterer eller udsender lys og menes at udgøre det meste af stoffet i universet. En type mørkt stof, som mange hold specifikt har ledt efter, er sub-GeV mørkt stof, mørkt stof partikler med masser under GeV (giga-elektronvolt).

PandaX-II-samarbejdet, et stort team af forskere, der arbejder på forskellige institutter og universiteter i Kina, har for nylig udført en søgning efter kosmisk-stråle-boostet mørkt stof ved hjælp af data indsamlet af PandaX-II-detektoren, placeret ved China Jinping Underground Laboratorium. Deres resultater, offentliggjort i Physical Review Letters (PRL) , udvide det sonderede parameterrum for mørkt stof til masser fra 0,1 MeV til GeV.

"Lyst mørkt stof, med masse mindre end protonmassen, blev normalt ikke undersøgt i direkte detektion, da det ikke kan producere et stort nok atomrekyl til at overskride detektorens tærskel," fortalte forskerne Phys.org via e-mail. "Heldigvis kan de lyse mørke stofpartikler i rummet sparkes af kosmiske stråler til at have relativistisk hastighed. Dette giver dem mulighed for at overvinde den direkte detektionstærskel, som først påpeget af forskerne Torsten Bringmann og Maxim Pospelov."

I deres nylige undersøgelse så PandaX-II-samarbejdet specifikt på det daglige modulationssignal af mørkt stof, der "boostes" af kosmiske stråler. For at gøre dette analyserede de dataene indsamlet af PandaX-II-detektoren i eksperimentets seneste forsøg.

Deres analyser byggede på et af deres tidligere fænomenologiske artikler, offentliggjort i begyndelsen af ​​2021 i PRL. I dette tidligere arbejde havde holdet for første gang bemærket, at kosmisk stråleforstærket mørkt stof, der primært stammer fra kernen af ​​vores galakse, havde en unik modulationssignatur.

"Mørkt stof rejser en vis afstand inde i Jorden, før det når detektoren, som varierer drastisk fra 2 km til 13.000 km, afhængigt af Jordens rotation," sagde forskerne. "Jo længere afstanden er, jo stærkere dæmpningseffekten."

Baseret på deres observationer indså PandaX-II-samarbejdet, at en kombination af den afstand, som mørkt stof rejste inde i Jorden, og dets dæmpningseffekter førte til en unik dagsmodulation. I deres nye undersøgelse satte de sig således for eksperimentelt at søge efter denne døgnmodulation ved at analysere reelle data indsamlet af PandaX-II-eksperimentet.

"Vi brugte de fulde data, for i alt 100 tons dag, indsamlet af PandaX-II eksperimentet i China Jinping Underground Laboratory," forklarede forskerne. "Ud over den unikke sideriske tid overvejede vi også begivenhedernes karakteristiske høje rekylenergifordeling. Disse to særskilte funktioner bruges til at undertrykke baggrunden og forbedre signalfølsomheden."

Først lavede holdet en række teoretiske overvejelser. Specifikt overvejede de nøje fordelingen af ​​mørkt stof og kosmiske stråler i vores galakse ved hjælp af en række teoretiske modeller.

"Vi modellerede udbredelsen af ​​mørkt stof i Jorden ved hjælp af en fuld Monte Carlo-simuleringsmetode, inklusive en detaljeret Jinping Mountain-profil," sagde PandaX-II-samarbejdet. "For at undgå den systematiske usikkerhed forbundet med usammenhængende og uelastisk spredning gennem Jorden, satte vi en energiafskæring på 200 MeV, hvilket fører til en konservativ og robust udelukkelse."

De nylige analyser udført af dette team af forskere kunne bidrage væsentligt til søgningen efter sub-GeV mørkt stof. Faktisk udvider deres resultater signifikant det sonderede parameterrum for mørkt stof fra 0,1 MeV til GeV, og dækker en afgørende type mørkt stof-nukleon-interaktioner, som tidligere var utilgængelige for astrofysiske og kosmologiske sonder.

Ved at bruge den samme eksperimentelle opsætning og datasæt, som blev brugt i deres tidligere analyser, lykkedes det teamet at indsamle yderligere indsigt, og i sidste ende udvidede "territoriet", der blev udforsket af eksperimenter, der havde til formål direkte at detektere mørkt stof. PandaX-samarbejdet gennemfører nu et nyt eksperiment, kendt som PandaX-4T-eksperimentet. Teamet planlægger at udføre yderligere analyser på de nyligt indsamlede data.

"Dette nye eksperiment forventes at forbedre eksponeringen med mere end en størrelsesorden og reducere baggrunden betydeligt," tilføjede forskerne. "I vores næste undersøgelser vil vi bruge de nye data til yderligere at forbedre følsomheden af ​​detektion af lyst mørkt stof ved hjælp af den kosmiske stråle-forstærkende mekanisme. Vi vil også aktivt søge unikke kanaler til maksimalt at bruge vores data til at søge efter ny fysik fænomener generelt." + Udforsk yderligere

Undersøgelse af resultaterne af nye mørkt stof-søgninger fra PandaX-4T og ADMX-samarbejdet

© 2022 Science X Network