Fysiker över hela världen fortsätter sitt sökande efter mörk materia, en svårgripbar typ av materia som inte absorberar, reflekterar eller avger ljus och som tros utgöra det mesta av materien i universum. En typ av mörk materia som många team specifikt har letat efter är sub-GeV mörk materia, mörk materia partiklar med massor under GeV (giga-elektronvolt).

PandaX-II-samarbetet, ett stort team av forskare som arbetar vid olika institut och universitet i Kina, har nyligen genomfört en sökning efter kosmisk strålning förstärkt mörk materia, med hjälp av data som samlats in av PandaX-II-detektorn, belägen vid China Jinping Underground Laboratorium. Deras resultat, publicerade i Physical Review Letters (PRL) , bredda det sonderade parameterutrymmet för mörk materia till massor från 0,1 MeV till GeV.

"Ljus mörk materia, med massa mindre än protonmassan, undersöktes vanligtvis inte vid direkt detektering eftersom den inte kan producera tillräckligt stor kärnrecoil för att överskrida detektorns tröskelvärde," sa forskarna till Phys.org, via e-post. "Lyckligtvis kan partiklarna av ljus mörk materia i rymden sparkas av kosmiska strålar för att ha relativistisk hastighet. Detta gör att de kan övervinna den direkta detektionströskeln som först påpekades av forskarna Torsten Bringmann och Maxim Pospelov."

I deras senaste studie tittade PandaX-II-samarbetet specifikt på den dagliga moduleringssignalen för mörk materia som "förstärks" av kosmiska strålar. För att göra detta analyserade de data som samlats in av PandaX-II-detektorn i experimentets senaste försök.

Deras analyser byggde på en av deras tidigare fenomenologiska artiklar, publicerade i början av 2021 i PRL. I detta tidigare arbete hade teamet för första gången märkt att kosmisk strålförstärkt mörk materia som huvudsakligen kommer från kärnan i vår galax hade en unik moduleringssignatur.

"Mörk materia färdas en viss sträcka inuti jorden innan den når detektorn, vilket drastiskt varierar från 2 km till 13 000 km, beroende på jordens rotation", sa forskarna. "Ju längre avstånd, desto starkare dämpningseffekter."

Baserat på deras observationer insåg PandaX-II-samarbetet att en kombination av avståndet som mörk materia färdades inuti jorden och dess dämpningseffekter ledde till en unik dygnsmodulering. I sin nya studie satte de sig därför för att experimentellt söka efter denna dygnsmodulering, genom att analysera verkliga data som samlats in av PandaX-II-experimentet.

"Vi använde den fullständiga informationen, för totalt 100 ton dag, insamlad av PandaX-II-experimentet i China Jinping Underground Laboratory," förklarade forskarna. "Förutom den unika sideriska tiden tog vi även hänsyn till händelsernas karakteristiska höga rekylenergifördelning. Dessa två distinkta funktioner används för att undertrycka bakgrund och förbättra signalkänsligheten."

Först gjorde teamet en rad teoretiska överväganden. Specifikt övervägde de noggrant fördelningen av mörk materia och kosmiska strålar i vår galax, med hjälp av en serie teoretiska modeller.

"Vi modellerade utbredningen av mörk materia i jorden med hjälp av en fullständig Monte Carlo-simuleringsmetod, inklusive en detaljerad Jinping Mountain-profil," sa PandaX-II-samarbetet. "För att undvika den systematiska osäkerheten som är förknippad med osammanhängande och oelastisk spridning genom jorden, satte vi en energigräns på 200 MeV, vilket leder till en konservativ och robust uteslutning."

De nyligen genomförda analyserna av detta team av forskare kan avsevärt bidra till sökandet efter mörk materia under GeV. Faktum är att deras resultat avsevärt utökar det sonderade parameterutrymmet för mörk materia från 0,1 MeV till GeV, och täcker en avgörande typ av interaktioner mellan mörk materia och nukleon som tidigare var otillgängliga för astrofysiska och kosmologiska sonder.

Med hjälp av samma experimentella uppsättning och datauppsättningar som användes i sina tidigare analyser, lyckades teamet samla in ytterligare insikter, vilket i slutändan utökade det "territorium" som utforskats av experiment som syftade till att direkt detektera mörk materia. PandaX-samarbetet genomför nu ett nytt experiment, känt som PandaX-4T-experimentet. Teamet planerar att genomföra ytterligare analyser av nyinsamlad data.

"Det här nya experimentet förväntas förbättra exponeringen med mer än en storleksordning och att avsevärt minska bakgrunden", tillade forskarna. "I våra nästa studier kommer vi att använda de nya data för att ytterligare förbättra känsligheten för detektering av ljus mörk materia med hjälp av den kosmiska strålningsförstärkningsmekanismen. Vi kommer också aktivt att söka unika kanaler för att maximalt använda vår data för att söka efter ny fysik fenomen i allmänhet." + Utforska vidare

Undersöker resultaten av nya mörk materia-sökningar av PandaX-4T och ADMX samarbeten

© 2022 Science X Network