Under de senaste decennierna, astrofysiker och kosmologer har samlat olika observationer som antyder förekomsten av mörk materia (DM), en typ av materia som inte absorberar, reflektera eller avge ljus, och kan således inte detekteras med konventionella tekniker för att observera elektromagnetisk strålning. Medan fysiker har förutspått dess existens baserat på astrofysiska och kosmologiska observationer, än så länge, DM har aldrig observerats experimentellt.

Det mest känsliga massfönstret för experiment som syftar till att direkt detektera DM med konventionell teknik (dvs. sökning efter kärnkraftsrekyler i detektorer) är O(10 ^-100 )GeV. När det kommer till ljus DM, särskilt det i sub-GeV-intervallet, spridningen av DM med kärnor kan inte ge en nukleär rekyl över den tröskel vid vilken den skulle detekteras av befintlig teknik.

Forskare vid Shanghai Jiao Tong University och Purple Mountain Observatory vid den kinesiska vetenskapsakademin har försökt identifiera strategier som kan hjälpa till att övervinna denna utmaning och avslöja karakteristiska signaler för sub-GeV DM med ett bredare känslighetsområde (d.v.s. som skulle vara lättare att upptäcka). En av deras senaste tidningar, publicerad i Fysiska granskningsbrev , beskriver en ny typ av dygnseffekt som är relevant för sub-GeV DM förstärkt av kosmiska strålar. Denna effekt skulle potentiellt kunna möjliggöra direkt detektering av sub-GeV DM med nukleära rekyler.

"Det påpekades i litteraturen att så länge som DM kan interagera med kärnor, de energiska kärnorna i rymden (kosmiska strålar) kan -accelerera vissa DM-partiklar till högre energi för att övervinna detektionströskeln, naturligt öppnar det låga fönstret, "Shao-Feng Ge och Qiang Yuan, två av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Vi gick vidare på detta genom att märka att både DM och kosmiska strålar har hög densitet runt galaxens centrum (GC)."

I scenariot som Ge, Yuan och deras kollegor, accelererade DM-partiklar skulle i första hand komma från GC:s riktning, som ger en unik egenskap som skiljer sig från den vanliga komponenten i DM. Medan detekteringstekniker baserade på analys av kärnrekyl inte kan avslöja vilken riktning DM-partiklar skulle komma från, när GC är placerad på motsatt sida av jorden från där detektorn är, jorden skulle kunna skugga en stor del av accelererad DM.

Med andra ord, forskarna fann att om DM-kärnorspridningstvärsnitten är tillräckligt stora, flödet av DM dämpas när det fortplantar sig genom jorden. Detta leder till en naturlig dygnsmodulering, som skulle kunna tjäna som en karakteristisk signatur för accelererad DM.

"Den konventionella dygnseffekten är endast för långsamt rörliga (icke-relativistiska) DM-partiklar i vår galax (så kallad standard DM-halo), "Ge och Yuan sa. "Effekten är försumbart liten antingen från direkta experimentella begränsningar, eller på grund av detektionströskeln. För lätta DM-partiklar, å andra sidan, DM-kärninteraktionen är mycket mindre begränsad, som lämnar utrymme för stark dygnsmodulering."

I deras papper, forskarna visar att acceleration av kosmisk strålning kan möjliggöra eller underlätta upptäckten av DM-partiklar. Dessutom, de antyder att det unika dygnsmoduleringsbeteende de beskrev kännetecknas av ett riktat och högre energiflöde.

"Den dagliga moduleringssignaturen som föreslagits i vår studie kan vara en rökande pistol av kosmisk stråleförstärkt upptäckt av mörk materia, medan den dominerande bakgrunden från radioaktiva föroreningar inte har denna egenskap, "Ning Zhou och Jianglai Liu, två forskare involverade i studien, berättade för Phys.org. "Kärnkraftsrekylens energispektrum skulle också uppvisa en daglig modulering, vilket skulle kunna vara ytterligare ett sätt att undertrycka potentiell bakgrund."

Anmärkningsvärt, denna studie identifierade en ny signatur associerad med kosmisk strålförstärkt DM. I framtiden, denna forskargrupp och andra team skulle kunna analysera data som samlats in tidigare, pågående och framtida underjordiska DM-experiment, specifikt söker efter den unika dygnsmoduleringssignaturen som lyfts fram i den senaste artikeln.

"Vi kommer nu att uppmuntra experimentörer över hela världen att utföra en noggrann sökning efter denna signatur i sina data, " sa Zhou och Ge. "Mer om den teoretiska sidan, i vår uppsats behandlas modellen av jorddämpningen med en förenklad modell, som vi planerar att förbättra. Vi kommer också att försöka avgöra om det finns en idealisk kombination av flera underjordiska experiment som ytterligare kan betyda upptäckten."

© 2021 Science X Network