Forschung identifiziert Detektionseinschränkungen für dunkle Photonen

Dezember 13, 2020

von Ingrid Fadelli , Phys.org

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Schematische Zeichnung des zukünftigen CDEX-100-Experiments. Kredit: Sie et al.

Frühere kosmologische und astrophysikalische Beobachtungen legen nahe, dass über ein Viertel der Energiedichte des Universums aus einer nicht konventionellen Art von Materie besteht, die als dunkle Materie bekannt ist. Es wird angenommen, dass diese Art von Materie aus Partikeln besteht, die kein Licht absorbieren, emittieren oder reflektieren und daher mit herkömmlichen Nachweismethoden nicht direkt beobachtet werden können.

Forscher weltweit haben Studien durchgeführt, die darauf abzielen, dunkle Materie im Universum nachzuweisen, aber bisher war keine von ihnen erfolgreich. Selbst der bevorzugte Kandidat für dunkle Materie, schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs), wurde experimentell noch nicht beobachtet.

Die China Dark Matter Experiment (CDEX) Collaboration, ein großes Team von Forschern der Tsinghua Universität und anderer Universitäten in China, hat kürzlich eine Suche nach einem anderen möglichen Kandidaten für dunkle Materie durchgeführt, der als dunkles Photon bekannt ist. Während die Suche nicht erfolgreich war, identifiziert ihr in Physical Review Letters veröffentlichtes Papier neue Einschränkungen für einen dunklen Photonenparameter, der zukünftige Studien informieren könnte.

„Das dunkle Photon, ein hypothetisches unsichtbares Teilchen, ist ein attraktiver Kandidat für dunkle Materie, der auch ein neuer Interaktionsmediator zwischen dunkler Materie und normaler Materie sein könnte“, sagte Qian Yue, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben Phys.org . „Die Untersuchung und der Nachweis dunkler Materie können zur Erweiterung des Standardmodells (SM) der Teilchenphysik beitragen und unser Wissen über das Universum erweitern.“

Die CDEX-Kollaboration sucht seit einiger Zeit mit einem 10 kg p-Punktkontakt-Germanium-Detektor, der am China Jinping Underground Laboratory (CJPL) installiert ist, nach heller dunkler Materie. CJPL ist die tiefste unterirdische Forschungseinrichtung der Welt mit einer Felsüberlagerung von 2400 Metern.

Der von den Forschern verwendete Detektor besteht aus drei Germanium-Detektorsträngen mit drei Elementen, die von 20 cm dickem, hochreinem, sauerstofffreiem Kupfer umgeben sind, das als passiver Schild gegen Umgebungsradioaktivität wirkt. Dieses instrument ist direkt eingetaucht in flüssigkeit stickstoff zu pflegen relativ kühlen temperaturen.

„Dunkle Photonen können experimentell durch ihre Absorption und Umwandlung in Elektronen in den Germanium-Detektoren in einem Prozess analog zum photoelektrischen Effekt von SM-Photonen nachgewiesen werden“, erklärte Yue. „Intensive Photonenquellen, z.B. die Sonne, bieten eine hervorragende Plattform, um nach dunklen Photonen zu suchen. Bei einer Reichweite von 100 eV eignet sich die niedrige Energieschwelle von Punktkontaktgermaniumdetektoren besonders für die Untersuchung dunkler Photonen.“

In ihrer jüngsten Arbeit analysierten Yue und seine Kollegen Daten, die zwischen Februar 2017 und August 2018 mit dem Detektor am CJPL gesammelt wurden, und suchten nach solaren dunklen Photonen und dunklen Photonen, zwei Kandidaten für dunkle Materie. Während die Forscher keine Signale beobachten konnten, die auf einen dieser Kandidaten hinwiesen, gelang es ihnen, Einschränkungen für den effektiven kinetischen Mischparameter zwischen dunklen Photonen und HELLEN Photonen festzulegen.

„Als attraktiver Kandidat für dunkle Materie und als neuer möglicher Interaktionsmediator zwischen dunkler Materie und normaler Materie ist das dunkle Photon attraktiv für weitere theoretische und experimentelle Bemühungen“, sagte Yue. „Unsere Arbeit hat einen neuen Parameterraum untersucht und die strengsten Grenzen für solare dunkle Photonen unter den direkten Detektionsexperimenten gesetzt.“

Die kürzlich von Yue und seinen Kollegen durchgeführte Studie liefert einige wertvolle neue Rückmeldungen, die zukünftige Suchen nach dunkler Materie, insbesondere nach dunklen Photonen, beeinflussen könnten. Darüber hinaus verstärkt ihre Arbeit das derzeitige weltweite Interesse an der Erforschung anderer Kandidaten der dunklen Materie, die über WIMPs und ihren Nachweiskanal der elastischen Streuung mit dem Kern hinausgehen.

„Um die Suche nach heller dunkler Materie weiter voranzutreiben, werden wir das CDEX-10-Detektorarray in den nächsten zwei Jahren in einem neuen, größeren Flüssigstickstoff-Kryotank mit einem Volumen von etwa 1700 m3 in Halle C des neuen CJPL-II-Labors wieder installieren, wo der 6 Meter dicke Flüssigstickstoff die Radioaktivität der Umgebung abschirmt“, sagte Yue. „Zusätzliche Germanium-Detektoren, bis zu etwa 100 kg, sind für den Einsatz im Kryotank mit reduziertem Hintergrund und höherer Detektionseffizienz geplant.“

Weitere Informationen: Z. She et al. Direkte Nachweisbeschränkungen für Dunkle Photonen mit dem CDEX-10-Experiment im China Jinping Underground Laboratory, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.111301

Informationen zur Zeitschrift: Physical Review Letters

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