Vetenskapliga bevis för mörk materia kommer från att observera hur den påverkar rörelsen hos stjärnor och galaxer. Forskare tror att mörk materia kan bestå av partiklar. För att söka efter dessa partiklar och deras biljardbollsliknande kollisioner har forskare använt några av de största och känsligaste experimenten som någonsin byggts.
Dessa experiment har dock ännu inte sett signaler om mörk materia. Forskare förutspår att partiklar av mörk materia skulle interagera mycket svagt. Det betyder att detektorer på jorden borde kunna känna av en "vind" i mörk materia partiklar när jorden rör sig genom mörk materia och kolliderar med ett litet antal av partiklarna.
En annan möjlighet är att när en sällsynt kollision inträffar kan den mörka materien absorberas helt och generera en liten stöt av energi. Majorana Demonstrator är en strålningsdetektor som är mycket känslig för denna typ av interaktion. Experimentet är djupt under jorden och skyddat från omgivande strålning som kosmisk strålning, och dess detektorer är extremt känsliga för små energiskakningar.
Dessa funktioner gjorde det möjligt för forskare att utföra en sökning fem till tio gånger känsligare än liknande detektorer. Forskarna upptäckte inte den förväntade signalen från mörk materia. Detta gör det möjligt för forskare att uppdatera gränserna för den möjliga massan av mörk materia i flera olika modeller. Dessa resultat kommer sannolikt att förbli de bästa gränserna under en tid med denna speciella detektorteknik.
Att förstå naturen och ursprunget för mörk materia skulle helt revolutionera forskarnas förståelse av universum. Många teoretiska modeller av mörk materia förutspår att dess signaler kan detekteras med hjälp av lågbakgrundsstrålningsdetektorer.
Genom att leta efter specifika typer av mörk materia och inte hitta någon signal, har forskare som driver Majorana Demonstrator-experimentet avsevärt minskat egenskaperna hos potentiella mörk materia-partiklar. Även om deras studie publicerad i tidskriften Physical Review Letters inte direkt upptäckt mörk materia, använde den ett tillvägagångssätt som kan hjälpa till att styra framtida experiment.
I den här forskningen använde forskare en avancerad experimentell uppsättning med germaniumdetektorer med hög renhet för att söka efter flera typer av mörk materia, utan att hitta någon signifikant signal som förutspåtts av flera teoretiska modeller. Experimentet utfördes vid Sanford Underground Research Facility. En rad universitet och laboratorier samarbetade för att genomföra experimentet och gjorde en bred, tvärvetenskaplig insats.
Det vetenskapliga fokuset låg på att söka efter distinkta typer av svårfångade kandidater för mörk materia, inklusive sterila neutriner och bosonisk och fermionisk mörk materia. Om mörk materia någonsin upptäcks skulle det ge dramatisk inblick i universums sammansättning och fysiken bortom standardmodellen.
Forskningen förstärker också Majorana Demonstrator-experimentets otroliga känslighet och breda räckvidd till flera fysikområden. Flera viktiga forskningsprojekt har alla använt samma underliggande Majorana Demonstrator-datauppsättning.
Mer information: I. J. Arnquist et al, Exotic Dark Matter Search with the Majorana Demonstrator, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.041001
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av US Department of Energy
