La ricerca identifica il rilevamento dei vincoli per fotoni scuri

aprile 13, 2020

da Ingrid Fadelli , Phys.org

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disegno Schematico del futuro CDEX-100 esperimento. Credito: Lei et al.

Le passate osservazioni cosmologiche e astrofisiche suggeriscono che oltre un quarto della densità di energia dell’universo è costituito da un tipo di materia non convenzionale noto come materia oscura. Si ritiene che questo tipo di materia sia composto da particelle che non assorbono, emettono o riflettono la luce e quindi non possono essere osservate direttamente utilizzando metodi di rilevamento convenzionali.

I ricercatori di tutto il mondo hanno condotto studi volti a rilevare la materia oscura nell’universo, ma finora nessuno di loro ha avuto successo. Anche il candidato preferito per la materia oscura, le particelle massive debolmente interagenti (WIMP), non sono ancora state osservate sperimentalmente.

La collaborazione China Dark Matter Experiment (CDEX), un grande team di ricercatori della Tsinghua University e di altre università in Cina, ha recentemente condotto una ricerca di un diverso possibile candidato di materia oscura noto come il fotone scuro. Mentre la ricerca non ha avuto successo, il loro documento, pubblicato in Physical Review Letters, identifica nuovi vincoli su un parametro fotone scuro che potrebbe informare gli studi futuri.

“Il fotone scuro, un ipotetico invisibile particella, è un’ottima materia oscura candidato, che potrebbe anche essere una nuova interazione mediatore tra materia oscura e la materia “normale”,” Qian Yue, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto Phys.org. “Lo studio e la rilevazione della materia oscura può contribuire all’estensione del modello standard (SM) di fisica delle particelle e di espandere la nostra conoscenza dell’universo.”

La collaborazione CDEX sta conducendo ricerche per la materia oscura chiara da qualche tempo, utilizzando un rilevatore di germanio a contatto puntiforme da 10 kg installato presso il China Jinping underground laboratory (CJPL). CJPL è la struttura di ricerca sotterranea più profonda del mondo, con un sovraccarico di roccia di 2400 metri.

Il rivelatore utilizzato dai ricercatori è costituito da tre stringhe di rivelatori al germanio a triplo elemento, circondate da rame di 20 cm di spessore, di elevata purezza e privo di ossigeno, che funge da scudo passivo contro la radioattività ambientale. Questo strumento è direttamente immerso in azoto liquido per mantenere temperature relativamente fresche.

“I fotoni scuri possono essere rilevati sperimentalmente attraverso il loro assorbimento e conversione in elettroni nei rivelatori di germanio in un processo analogo all’effetto fotoelettrico dei fotoni SM”, ha spiegato Yue. “Fonti fotoniche intense, ad esempio il sole, forniscono un’eccellente piattaforma per cercare fotoni scuri. Con un intervallo di 100 eV, la soglia di bassa energia dei rivelatori al germanio a contatto puntuale è particolarmente adatta per lo studio dei fotoni scuri.”

Nel loro recente articolo, Yue ei suoi colleghi hanno analizzato i dati raccolti utilizzando il rivelatore a CJPL tra febbraio 2017 e agosto 2018, alla ricerca di fotoni scuri solari e fotoni scuri, due candidati di materia oscura. Mentre i ricercatori non sono stati in grado di osservare i segnali che puntano a uno di questi candidati, sono riusciti a impostare vincoli sul parametro di miscelazione cinetica efficace tra fotoni scuri e fotoni SM.

“Come candidato attraente per la materia oscura e un nuovo possibile mediatore di interazione tra materia oscura e materia normale, il fotone scuro è attraente per ulteriori sforzi teorici e sperimentali”, ha detto Yue. “Il nostro lavoro ha sondato un nuovo spazio parametro e impostare i limiti più severi sui fotoni scuri solari tra gli esperimenti di rilevamento diretto.”

Il recente studio condotto da Yue e dai suoi colleghi fornisce alcuni preziosi nuovi feedback che potrebbero informare le ricerche future per la materia oscura, in particolare per i fotoni scuri. Inoltre, il loro lavoro rafforza l’attuale interesse mondiale nell’esplorare altri candidati alla materia oscura, andando oltre i WIMP e il loro canale di rilevamento dello scattering elastico con il nucleo.

“Per far avanzare ulteriormente la ricerca della materia oscura chiara, reinstalleremo l’array di rivelatori CDEX-10 in un nuovo crio-serbatoio di azoto liquido più grande con un volume di circa 1700 m3 presso la Hall-C del nuovo laboratorio CJPL-II nei prossimi due anni, dove la schermatura dalla radioattività ambientale è fornita dall’azoto liquido spesso 6 metri”, ha detto Yue. “Ulteriori rivelatori al germanio, fino a circa 100 kg, sono previsti per la distribuzione nel crio-serbatoio con sfondo ridotto e maggiore efficienza di rilevamento.”

Maggiori informazioni: Z. She et al. Vincoli di rilevamento diretto sui fotoni scuri con l’esperimento CDEX-10 presso il China Jinping Underground Laboratory, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.111301

Informazioni sulla rivista: Physical Review Letters

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