Mörk materia har hittills trotsat alla typer av detektorer som är utformade för att hitta den. På grund av dess enorma gravitationsfotavtryck i rymden, vi vet att mörk materia måste utgöra cirka 85 procent av universums totala massa, men vi vet ännu inte vad den är gjord av.

Flera stora experiment som jagar efter mörk materia har sökt efter tecken på att mörk materia partiklar slår in i atomkärnor via en process som kallas spridning, som kan producera små ljusblixtar och andra signaler i dessa interaktioner.

Nu en ny studie, ledd av forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och UC Berkeley, föreslår nya vägar för att fånga signalerna från mörk materia partiklar som har sin energi absorberad av dessa kärnor.

Absorptionsprocessen kan ge en påverkad atom en kick som får den att mata ut en tändare, energipartikel såsom en elektron, och det kan producera andra typer av signaler, för, beroende på den mörka materiens natur.

Studien fokuserar mest på de fall där en elektron eller neutrino stöts ut när den mörka materiens partikel träffar en atoms kärna.

Publicerad 4 maj Fysiska granskningsbrev , studien föreslår att vissa befintliga experiment, inklusive sådana som söker efter mörk materia partiklar och processer relaterade till neutriner – spöklika, detekterbara partiklar som kan passera genom det mesta av materia och har förmågan att förändras till olika former - kan enkelt breddas till att även leta efter dessa absorptionsrelaterade typer av signaler för mörk materia.

Också, forskarna föreslår att nya sökningar i tidigare insamlade partikeldetektordata möjligen skulle kunna visa upp dessa förbisedda mörka materiasignaler.

"Inom detta område, vi har haft en viss idé i åtanke om välmotiverade kandidater för mörk materia, som WIMP, "eller svagt interagerande massiv partikel, sa Jeff Dror, huvudförfattaren till studien som är postdoktor i Berkeley Labs Theory Group och UC Berkeleys Berkeley Center for Theoretical Physics.

Mörk materia tänjer på gränserna för fysikens kända grundläggande lagar, inkapslad i standardmodellen för partikelfysik, och "WIMP-paradigmet är mycket lätt att bygga in i standardmodellen, men vi har inte hittat det på länge " konstaterade Dror.

Så, fysiker överväger nu andra platser där mörk materia partiklar kan gömma sig, och andra partikelmöjligheter som teoretiserade "sterila neutrinos" som också skulle kunna föras in i familjen av partiklar som kallas fermioner - som inkluderar elektroner, protoner, och neutriner.

"Det är lätt, med små modifieringar av WIMP -paradigmet, för att rymma en helt annan typ av signal, ", sa Dror. "Du kan göra enorma framsteg med mycket liten kostnad om du går tillbaka lite på det sätt som vi har tänkt på mörk materia."

Robert McGehee, en doktorand vid UC Berkeley, och Gilly Elor från University of Washington var medförfattare till studien.

Forskarna noterar att utbudet av nya signaler som de fokuserar på öppnar ett "hav" av möjligheter för mörk materia partiklar:nämligen ännu oupptäckta fermioner med massor som är lättare än det typiska intervallet som anses för WIMPs. De kan vara nära kusiner till sterila neutrinos, till exempel.

Studiegruppen övervägde absorptionsprocesser kända som "neutral ström, " i vilka kärnor i detektormaterialet rekyl, eller blir skakade av deras kollision med partiklar av mörk materia, producera distinkta energisignaturer som kan plockas upp av detektorn; och även de som kallas "laddad ström, "som kan producera flera signaler när en partikel av mörk materia träffar en kärna, orsakar en rekyl och utstötning av en elektron.

Laddningsströmprocessen kan också involvera kärnkraftsförfall, där andra partiklar matas ut från en kärna som en slags dominoeffekt som utlöses av absorptionen av mörk materia.

Om du letar efter studiens föreslagna signaturer av både neutralström och laddström kan processerna öppna "storleksordningar för outforskat parameterutrymme, " konstaterar forskarna. De fokuserar på energisignaler i MeV, vilket betyder miljontals elektronvolt. En elektronvolt är ett mått på energi som fysiker använder för att beskriva massorna av partiklar. Under tiden, typiska WIMP-sökningar är nu känsliga för partikelinteraktioner med energier i keV-intervallet, eller tusentals elektronvolt.

För de olika partikelinteraktioner som forskarna utforskade i studien, "Du kan förutsäga energispektrumet för partikeln som kommer ut eller nukleonen som får 'kick', "" sa Dror. Nukleon hänvisar till den positivt laddade protonen eller oladdade neutronen som finns i en atoms kärna och som kan absorbera energi när den träffas av en mörk materiepartikel. Dessa absorptionssignaler kan möjligen vara vanligare än andra typer av signaler som mörker. materiedetektorer är vanligtvis utformade för att hitta, tillade han — vi vet bara inte än.

Experiment som har stora volymer av detektormaterial, med hög känslighet och mycket lågt bakgrundsljud, "eller oönskad störning från andra typer av partikelsignaler, är särskilt lämpade för denna utökade sökning efter olika typer av mörk materia-signaler, sa Dror.

LUX-ZEPLIN (LZ), till exempel, ett ultrakänsligt Berkeley Lab-ledt sökprojekt för mörk materia under uppbyggnad i en före detta gruva i South Dakota, är en möjlig kandidat eftersom den kommer att använda cirka 10 ton flytande xenon som sitt detektormedium och är utformad för att vara kraftigt avskärmad från andra typer av partikelbrus.

Redan, teamet av forskare som deltar i studien har arbetat med teamet som driver Enriched Xenon Observatory (EXO), ett underjordiskt experiment som letar efter en teoretiserad process som kallas neutrinolös dubbel beta-förfall med flytande xenon, att öppna sin sökning för dessa andra typer av mörk materiesignaler.

Och för liknande typer av experiment som är igång, "Datan finns redan i princip där. Det är bara att titta på det, sa Dror.

Forskarna namnger en tvättlista över kandidatexperiment runt om i världen som kan ha relevant data och sökfunktioner som kan användas för att hitta deras målsignaler, inklusive:CUORE, LZ föregångare LUX, PandaX-II, XENON1T, KamLAND-Zen, SuperKamiokande, CDMS-II, DarkSide-50, och Borexino bland dem.

Som nästa steg, forskargruppen hoppas kunna arbeta med experimentsamarbeten för att analysera befintliga data, och för att ta reda på om sökparametrar för aktiva experiment kan justeras för att söka efter andra signaler.

"Jag tror att samhället börjar bli ganska medvetet om detta, " sa Dror, lägga till, "En av de största frågorna på området är mörk materias natur. Vi vet inte vad den är gjord av, men att besvara dessa frågor kan vara inom räckhåll inom en snar framtid. För mig, det är en enorm motivation att fortsätta driva på – det finns ny fysik där ute."