Ett team av forskare i Republiken Korea, USA., Brasilien, Indonesien och Storbritannien har nyligen genomfört en direkt sökning efter oelastisk boostad mörk materia (IBDM) med hjälp av en terrestrisk detektor. Deras studie, publicerad i Fysiska granskningsbrev ( PRL ), är den första någonsin att experimentellt söka efter IBDM med hjälp av en terrestrisk detektor.

Observationer som samlats in av tidigare astrofysikstudier tyder på att universums dominerande materia -komponent inte är vanlig materia, men icke -baronisk mörk materia. Forskare har gjort enorma ansträngningar för att söka efter mörk materia via direkt upptäckt, indirekt upptäckt och kolliderande experiment, än så länge, deras försök har misslyckats.

Denna brist på framgång uppmuntrade dem att söka efter alternativa typer av mörk materia, såsom ljusmassamodeller eller relativistiskt boostad mörk materia (BDM), som skulle ha väsentligt olika signaturer i detektorer. Just för att dessa nya typer av mörk materia skulle producera okonventionella signaturer, mycket få av dem har varit i fokus för traditionella experiment med mörk materia.

"Även om forskare konsekvent har sökt efter WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) mörk materia de senaste decennierna, inga tydliga signaler har ännu observerats, "Hyun Su Lee, en forskare vid Institute for Basic Science i Daejeon, Korea, som genomförde den senaste studien, berättade för Phys.org. "Detta har motiverat sökare för andra typer av mörk materia, vilket kan ge signifikant olika signaler i detektorn. En idé är att söka efter flerkomponents mörk materia. I detta fall, varje komponent av mörk materia är sannolikt WIMP mörk materia, men den har en annan massa. "

Några år sedan, forskare vid University of Maryland och MIT introducerade en ny modell som beskriver en relativistisk partikel i mörk materia som förstärks av förstörelsen av tyngre partiklar av mörk materia i det galaktiska centrumet eller solen. Enligt deras modell, detta skulle kräva minst två arter av partiklar av mörk materia, innefattande en flerkomponent mörk materia.

Mörk materia kandidater med en tyngre massa kan förfalla till ljus mörk materia. Eftersom massa är ekvivalent med energi, i fallet med flerkomponents mörk materia, massskillnader mellan olika komponenter skulle leda till hög hastighet på ljus mörk materia. Termen 'boosted dark matter, 'därför, betyder i grunden att infallande mörk materia har en relativt hög hastighet.

"Den förväntade signalen från hög hastighet mörk materia är energisk elektronrekyl, medan typisk mörk materia ger låg energi med kärnkraftsrekyl, "Lee förklarade." Denna teori har utvecklats avsevärt under de senaste åren. Efter det, teoretiker började tänka på oelastisk spridning, på grund av flera komponenter i mörk materia. "

Inom kemi och fysik, Oelastisk spridning är en grundläggande process där kinetisk energi från en infallande partikel inte bevaras, men är antingen förlorad eller ökad. Forskare vid CERN, liksom andra institutioner i Korea och USA har teoretiserat en oelastisk interaktion av förstärkt mörk materia. Enligt deras teorier, relativistisk mörk materia interagerar med målmaterialet genom oelastisk spridning med elektroner, skapa ett tyngre tillstånd som senare producerar standardmodellpartiklar, såsom elektron-positronpar.

"I oelastisk spridning, den första energiska elektronen produceras med ytterligare en partikel i mörk sektor, "Förklarade Lee." En sådan mörk sektorpartikel förfaller till ett elektronpositronpar med viss förskjutning. Än så länge, inga experiment har noggrant studerat den här typen av signaler, så vi tänkte att det här kan vara ett bra alternativ för att förklara problemet med mörk materia. "

I deras studie, Lee och hans kollegor genomförde den första direktsökningen efter IBDM med en markbunden detektor. Väsentligen, de sänkte ner åtta Nal (TI) kristaller med en total massa av 106 kg i en 2, 200L vätskescintillator omgiven av tunga sköldar för att blockera radioaktiv bakgrund.

"Vi använde både NaI (Tl), 106 kg, och LS, 2ton, som en aktiv detektor för att söka efter en energisk elektron plus elektronpositronpar som deponerade energier i två olika detektorkomponenter, "Sade Lee." På grund av detektorns stora massa och dess många komponenter, det uppnår en relativt bra känslighet för dessa typer av signaler. "

Tyvärr, Lee och hans kollegor kunde inte upptäcka IBDM -signaler i sina data. Ändå, deras är en banbrytande studie, eftersom ingen tidigare använt detektorer för att söka efter just den här typen av mörk materia.

Deras arbete är en del av ett större projekt, kallad COSINE-100, som specifikt syftar till att testa årlig modulering av mörk materia som observerats av DAMA -experimentet. Forskarna tror att ytterligare sökningar efter IBDM-signaler som använder samma detektor eller andra tonskala detektorer i mörk materia kommer att bli mer fruktbara.

"För den ökade sökningen av mörk materia, vi kommer att förbättra vår analys genom att använda cirka 10 gånger större dataset som vi redan har på hårddisken, "Lee sa." Vi planerar också att söka elastiska spridningskanaler och förväntar oss att en uppdaterad sökning kommer att utforska stora parameterutrymmen som ännu inte har sökts i några andra experiment. "

© 2019 Science X Network