La investigación identifica restricciones de detección para fotones oscuros

Abril 13, 2020

por Ingrid Fadelli , Phys.org

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Dibujo esquemático del futuro experimento CDEX-100. Crédito: She et al.

Observaciones cosmológicas y astrofísicas del pasado sugieren que más de una cuarta parte de la densidad de energía del universo está compuesta por un tipo de materia no convencional conocida como materia oscura. Se cree que este tipo de materia está compuesta de partículas que no absorben, emiten o reflejan la luz, por lo que no se pueden observar directamente utilizando métodos de detección convencionales.

Investigadores de todo el mundo han llevado a cabo estudios destinados a detectar materia oscura en el universo, pero hasta ahora, ninguno de ellos ha tenido éxito. Incluso el candidato preferido para la materia oscura, las partículas masivas que interactúan débilmente (WIMPs), aún no se han observado experimentalmente.

La colaboración del Experimento de Materia Oscura de China (CDEX), un gran equipo de investigadores de la Universidad de Tsinghua y otras universidades de China, ha realizado recientemente una búsqueda de un posible candidato a materia oscura diferente conocido como el fotón oscuro. Si bien la búsqueda no tuvo éxito, su artículo, publicado en Physical Review Letters, identifica nuevas restricciones en un parámetro de fotones oscuros que podrían informar estudios futuros.

» El fotón oscuro, una partícula invisible hipotética, es un candidato atractivo a la materia oscura, que también podría ser un nuevo mediador de interacción entre la materia oscura y la materia normal», dijo Qian Yue, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio Phys.org» El estudio y la detección de la materia oscura pueden contribuir a la extensión del modelo estándar (SM) de la física de partículas y ampliar nuestro conocimiento del universo.»

La colaboración CDEX ha estado realizando búsquedas de materia oscura clara desde hace algún tiempo, utilizando un detector de germanio de punto de contacto tipo p de 10 kg instalado en el laboratorio subterráneo de China Jinping (CJPL). CJPL es la instalación de investigación subterránea más profunda del mundo, con una sobrecarga de roca de 2400 metros.

El detector utilizado por los investigadores consiste en tres cuerdas de detector de germanio de tres elementos, rodeadas de cobre de 20 cm de espesor, de alta pureza y libre de oxígeno, que actúa como un escudo pasivo contra la radiactividad ambiental. Este instrumento se sumerge directamente en nitrógeno líquido para mantener temperaturas relativamente frías.

«Los fotones oscuros se pueden detectar experimentalmente a través de su absorción y conversión a electrones en los detectores de germanio en un proceso análogo al efecto fotoeléctrico de los fotones SM», explicó Yue. «Las fuentes de fotones intensos, por ejemplo, el sol, proporcionan una excelente plataforma para buscar fotones oscuros. Con un alcance de 100 eV, el umbral de baja energía de los detectores de germanio de contacto puntual es especialmente adecuado para el estudio de fotones oscuros.»

En su artículo reciente, Yue y sus colegas analizaron los datos recopilados utilizando el detector en CJPL entre febrero de 2017 y agosto de 2018, en busca de fotones oscuros solares y fotones oscuros, dos candidatos a materia oscura. Si bien los investigadores no pudieron observar señales que apuntaban a ninguno de estos candidatos, lograron establecer restricciones en el parámetro de mezcla cinética efectiva entre fotones oscuros y fotones SM.

«Como un candidato atractivo para la materia oscura y un nuevo posible mediador de interacción entre la materia oscura y la materia normal, el fotón oscuro es atractivo para futuros esfuerzos teóricos y experimentales», dijo Yue. «Nuestro trabajo ha sondeado un nuevo espacio de parámetros y establecido los límites más estrictos para los fotones oscuros solares entre los experimentos de detección directa.»

El reciente estudio llevado a cabo por Yue y sus colegas proporciona nuevos comentarios valiosos que podrían informar futuras búsquedas de materia oscura, particularmente de fotones oscuros. Además, su trabajo refuerza el interés mundial actual en explorar otros candidatos de materia oscura, yendo más allá de los WIMPs y su canal de detección de dispersión elástica con el núcleo.

«Para avanzar aún más en la búsqueda de materia oscura clara, reinstalaremos el conjunto de detectores CDEX-10 en un nuevo criocarro de nitrógeno líquido más grande con un volumen de aproximadamente 1700 m3 en el Hall-C del nuevo laboratorio CJPL-II en los próximos dos años, donde el nitrógeno líquido de 6 metros de espesor proporciona protección contra la radiactividad ambiental», dijo Yue. «Está previsto el despliegue de detectores adicionales de germanio, de hasta 100 kg, en el crioconsumo con un fondo reducido y una mayor eficiencia de detección.»

Más información: Z. She et al. Restricciones de detección Directa en Fotones Oscuros con el experimento CDEX-10 en el Laboratorio Subterráneo de China Jinping, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.111301

Información del diario: Cartas de revisión física

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