Forskning identificerer detektionsbegrænsninger for mørke fotoner

April 13, 2020

af Ingrid Fadelli , Phys.org

funktion

skematisk tegning af fremtidige cdeks-100 eksperiment. Kredit: hun et al.

tidligere kosmologiske og astrofysiske observationer antyder, at over en fjerdedel af universets energitæthed består af en ikke-konventionel type stof kendt som mørkt stof. Denne type stof antages at være sammensat af partikler, der ikke absorberer, udsender eller reflekterer lys og således ikke kan observeres direkte ved hjælp af konventionelle detektionsmetoder.

forskere over hele verden har udført undersøgelser med det formål at opdage mørkt stof i universet, men indtil videre har ingen af dem haft succes. Selv den foretrukne kandidat til mørkt stof, svagt interagerende massive partikler (tøsedrenge), er endnu ikke blevet observeret eksperimentelt.

China Dark Matter-eksperimentet, et stort team af forskere ved Tsinghua University og andre universiteter i Kina, har for nylig foretaget en søgning efter en anden mulig mørk materie-kandidat kendt som dark photon. Mens søgningen ikke lykkedes, identificerer deres papir, der blev offentliggjort i fysiske Gennemgangsbreve, nye begrænsninger for en mørk fotonparameter, der kunne informere fremtidige undersøgelser.

” den mørke foton, en hypotetisk usynlig partikel, er en attraktiv kandidat til mørkt stof, som også kunne være en ny interaktionsmægler mellem mørkt stof og normalt stof,” fortalte Phys.org. ” undersøgelsen og detekteringen af mørkt stof kan bidrage til udvidelsen af standardmodellen (SM) for partikelfysik og udvide vores viden om universet.”

CDEKS-samarbejdet har gennemført søgninger efter lys mørkt stof i nogen tid nu ved hjælp af en 10 kg p-type punktkontakt germanium detektor installeret på China Jinping underground laboratory (CJPL). CJPL er den dybeste underjordiske forskningsfacilitet i verden med en stenoverbelastning på 2400 meter.

detektoren, som forskerne bruger, består af tre triple-element germanium detektorstrenge, omgivet af 20 cm tykt, iltfrit kobber med høj renhed, der fungerer som et passivt skjold mod omgivende radioaktivitet. Dette instrument nedsænkes direkte i flydende nitrogen for at opretholde relativt kølige temperaturer.

“mørke fotoner kan detekteres eksperimentelt gennem deres absorption og omdannelse til elektroner i germanium-detektorerne i en proces, der er analog med den fotoelektriske effekt af SM-fotoner,” forklarede Yue. “Intense fotonkilder, f.eks. solen, giver en fremragende platform til at lede efter mørke fotoner. I en rækkevidde på 100 eV er den lave energitærskel for point-contact germanium detektorer særligt velegnet til studier af mørke fotoner.”

i deres nylige papir analyserede Yue og hans kolleger data indsamlet ved hjælp af detektoren på CJPL mellem februar 2017 og August 2018 og søgte efter sol mørke fotoner og mørke fotoner, to mørke stofkandidater. Mens forskerne ikke var i stand til at observere signaler, der pegede på nogen af disse kandidater, formåede de at sætte begrænsninger for den effektive kinetiske blandingsparameter mellem mørke fotoner og SM-fotoner.

“som en attraktiv kandidat til mørkt stof og en ny mulig interaktionsmægler mellem mørkt stof og normalt stof er den mørke foton attraktiv for yderligere teoretisk og eksperimentel indsats,” sagde Yue. “Vores arbejde har undersøgt et nyt parameterrum og sat de strengeste grænser for mørke solfotoner blandt de direkte detekteringseksperimenter.”

den nylige undersøgelse udført af Yue og hans kolleger giver nogle værdifulde nye tilbagemeldinger, der kan informere fremtidige søgninger efter mørkt stof, især for mørke fotoner. Desuden styrker deres arbejde den nuværende verdensomspændende interesse i at udforske andre mørke stofkandidater, der går ud over tøsedrenge og deres detektionskanal for elastisk spredning med kernen.

“for yderligere at fremme søgningen efter lys mørkt stof, vil vi geninstallere CDEKS-10 detektorarrayet i en ny, større flydende nitrogen cryo-tank med et volumen på omkring 1700 m3 I Hall-C i det nye cjpl-II laboratorium i de næste to år, hvor afskærmning fra omgivende radioaktivitet leveres af det 6 meter tykke flydende nitrogen,” sagde Yue. “Yderligere germanium detektorer, op til omkring 100 kg, er planlagt til indsættelse i cryo-tanken med reduceret baggrund og højere detektionseffektivitet.”

mere information: S. Hun et al. Direkte Detektionsbegrænsninger på mørke fotoner med CDEKS-10-eksperimentet på China Jinping Underground Laboratory, fysiske Gennemgangsbreve (2020). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.111301

Tidsskriftoplysninger: fysiske Gennemgangsbreve

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.