Tutkimus tunnistaa pimeän fotonin havaitsemisrajoitteet

huhtikuu 13, 2020

by Ingrid Fadelli , Phys.org

ominaisuus

kaavamainen piirros tulevasta CDEX-100-kokeesta. Luotto: hän et al.

aikaisemmat kosmologiset ja astrofysikaaliset havainnot viittaavat siihen, että yli neljännes maailmankaikkeuden energiatiheydestä koostuu epäkonventionaalisesta ainetyypistä, jota kutsutaan pimeäksi aineeksi. Tämäntyyppisen aineen uskotaan koostuvan hiukkasista, jotka eivät absorboi, emittoi tai heijasta valoa, joten niitä ei voida havaita suoraan tavanomaisilla havaintomenetelmillä.

tutkijat ympäri maailmaa ovat tehneet tutkimuksia pimeän aineen havaitsemiseksi maailmankaikkeudessa, mutta toistaiseksi yksikään niistä ei ole onnistunut. Edes pimeän aineen suosikkiehdokasta, heikosti vuorovaikuttavia massiivisia hiukkasia (wimps), ei ole vielä havaittu kokeellisesti.

Tsinghuan yliopiston ja muiden Kiinan yliopistojen suuri tutkijaryhmä China Dark Matter Experiment (CDEX) on vastikään etsinyt erilaista mahdollista pimeän aineen ehdokasta, joka tunnetaan nimellä pimeä fotoni. Vaikka haku ei tuottanut tulosta, heidän Physical Review Letters-lehdessä julkaistu tutkielmansa tunnistaa uusia rajoitteita pimeälle fotoniparametrille, joka voisi informoida tulevia tutkimuksia.

”pimeä fotoni, hypoteettinen näkymätön hiukkanen, on houkutteleva pimeän aineen ehdokas, joka voisi olla myös uusi vuorovaikutuksen välittäjä pimeän aineen ja normaalin aineen välillä”, Qian Yue, yksi tutkimuksen suorittaneista tutkijoista, kertoi Phys.org. ” pimeän aineen tutkiminen ja havaitseminen voi osaltaan laajentaa hiukkasfysiikan standardimallia (SM) ja laajentaa tietämystämme maailmankaikkeudesta.”

CDEX-yhteistyö on tehnyt vaalean pimeän aineen etsintöjä jo jonkin aikaa käyttäen Kiinan Jinpingin maanalaiseen laboratorioon (CJPL) asennettua 10 kg: n p-tyypin pistekontaktin germanium-ilmaisinta. CJPL on maailman syvin maanalainen tutkimuslaitos, jonka kallioperä on 2400 metriä.

tutkijoiden käyttämä ilmaisin koostuu kolmesta kolmielementtisestä germanium-ilmaisimen narusta, joita ympäröi 20 cm paksu, erittäin puhdas Hapeton kupari, joka toimii passiivisena suojana ympäristön radioaktiivisuutta vastaan. Tämä laite upotetaan suoraan nestemäiseen typpeen suhteellisen viileiden lämpötilojen ylläpitämiseksi.

”tummia fotoneja voidaan havaita kokeellisesti absorboimalla ne ja muuntamalla ne elektroneiksi germaniumilmaisimissa prosessissa, joka vastaa SM-fotonien valosähköistä vaikutusta”, Yue selitti. ”Voimakkaat fotonilähteet, kuten aurinko, tarjoavat erinomaisen alustan tummien fotonien etsimiseen. Pistemäisten germaniumilmaisimien matala energiakynnys 100 eV: n etäisyydellä soveltuu erityisesti pimeiden fotonien tutkimiseen.”

tuoreessa tutkielmassaan Yue kollegoineen analysoi CJPL: n ilmaisimella helmikuun 2017 ja elokuun 2018 välisenä aikana kerättyä dataa etsien auringon pimeitä fotoneja ja pimeitä fotoneja, kahta pimeän aineen ehdokasta. Vaikka tutkijat eivät kyenneet havainnoimaan kumpaankaan näistä ehdokkaista viittaavia signaaleja, he onnistuivat asettamaan rajoitteita tummien fotonien ja SM-fotonien tehokkaalle kineettiselle sekoitusparametrille.

”pimeän aineen puoleensavetävänä ehdokkaana ja uutena mahdollisena vuorovaikutuksen välittäjänä pimeän aineen ja normaalin aineen välillä pimeä fotoni on houkutteleva jatkuville teoreettisille ja kokeellisille pyrkimyksille”, Yue sanoi. ”Työmme on luotannut uutta parametriavaruutta ja asettanut suorien havaintokokeiden joukossa tiukimmat rajat auringon pimeille fotoneille.”

Yuen ja hänen kollegoidensa hiljattain tekemä tutkimus antaa arvokasta uutta palautetta, joka voisi kertoa tulevaisuuden pimeän aineen, erityisesti pimeiden fotonien, etsinnöistä. Lisäksi heidän työnsä vahvistaa nykyistä maailmanlaajuista kiinnostusta tutkia muita pimeän aineen ehdokkaita, mennä nynnyjä ja niiden havaitsemiskanavaa pidemmälle elastisen sironnan kanssa ydin.

”edistääksemme valon pimeän aineen etsintää, asennamme CDEX-10-ilmaisinryhmän uudelleen uuteen, suurempaan nestemäisen typen kryosäiliöön, jonka tilavuus on noin 1700 m3 uuden cjpl-II-laboratorion Hall-C: ssä seuraavan kahden vuoden aikana, jossa 6 metrin paksuinen nestemäinen typpi antaa suojan ympäristön radioaktiivisuudelta”, Yue sanoi. ”Muita germanium-ilmaisimia, jopa noin 100 kg, suunnitellaan käytettäväksi kryosäiliössä, jossa tausta on heikompi ja ilmaisutehokkuus parempi.”

lisätietoja: Z. She et al. Suora Havaitsemisrajoitteet tummille Fotoneille CDEX-10-kokeella Kiinan Jinpingin maanalaisessa laboratoriossa, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.111301

lehtitieto: Physical Review Letters

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.