Forskning identifierar detektionsbegränsningar för mörka fotoner

April 13, 2020

av Ingrid Fadelli , Phys.org

funktion

schematisk ritning av framtida CDex-100-experiment. Kredit: hon et al.

tidigare kosmologiska och astrofysiska observationer tyder på att över en fjärdedel av universums energitäthet består av en icke-konventionell typ av materia som kallas mörk materia. Denna typ av materia antas bestå av partiklar som inte absorberar, avger eller reflekterar ljus och kan således inte observeras direkt med konventionella detekteringsmetoder.

forskare över hela världen har genomfört studier som syftar till att upptäcka mörk materia i universum, men hittills har ingen av dem lyckats. Även den föredragna kandidaten för mörk materia, svagt interagerande massiva partiklar (WIMPs), har ännu inte observerats experimentellt.

Kina Dark Matter Experiment (CDEX) samarbete, ett stort team av forskare vid Tsinghua University och andra universitet i Kina, har nyligen genomfört en sökning efter en annan möjlig mörk materia kandidat som kallas dark photon. Medan sökningen misslyckades identifierar deras papper, publicerat i Physical Review Letters, nya begränsningar för en mörk fotonparameter som kan informera framtida studier.

”den mörka fotonen, en hypotetisk osynlig partikel, är en attraktiv mörkmaterialkandidat, som också kan vara en ny interaktionsmedlare mellan mörk materia och normal Materia”, berättade Qian Yue, en av forskarna som genomförde studien Phys.org. ” studien och upptäckten av mörk materia kan bidra till utvidgningen av partikelfysikens standardmodell (SM) och utöka vår kunskap om universum.”

CDex-samarbetet har genomfört sökningar efter ljus mörk materia under en tid nu, med hjälp av en 10 kg p-typ punktkontakt germanium detektor installerad vid China Jinping underground laboratory (CJPL). CJPL är den djupaste underjordiska forskningsanläggningen i världen, med en stenöverbelastning på 2400 meter.

detektorn som används av forskarna består av tre trippelelement germanium-detektorsträngar, omgivna av 20 cm tjock, högren, syrefri koppar, som fungerar som en passiv sköld mot omgivande radioaktivitet. Detta instrument är direkt nedsänkt i flytande kväve för att upprätthålla relativt svala temperaturer.

”mörka fotoner kan detekteras experimentellt genom deras absorption och omvandling till elektroner i germaniumdetektorerna i en process som är analog med den fotoelektriska effekten av SM-fotoner”, förklarade Yue. ”Intensiva fotonkällor, t.ex. solen, ger en utmärkt plattform för att leta efter mörka fotoner. Vid ett intervall på 100 eV är den låga energitröskeln för punktkontaktgermaniumdetektorer särskilt lämplig för studier av mörka fotoner.”

i sitt senaste papper analyserade Yue och hans kollegor data som samlats in med hjälp av detektorn vid CJPL mellan februari 2017 och augusti 2018 och letade efter solmörka fotoner och mörka fotoner, två kandidater för mörk materia. Medan forskarna inte kunde observera signaler som pekade på någon av dessa kandidater lyckades de sätta begränsningar för den effektiva kinetiska blandningsparametern mellan mörka fotoner och SM-fotoner.

” som en attraktiv kandidat för mörk materia och en ny möjlig interaktionsmedlare mellan mörk materia och normal Materia är den mörka fotonen attraktiv för ytterligare teoretiska och experimentella ansträngningar”, sa Yue. ”Vårt arbete har undersökt ett nytt parameterutrymme och satt de strängaste gränserna för solmörka fotoner bland de direkta detektionsexperimenten.”

den senaste studien utförd av Yue och hans kollegor ger några värdefulla nya återkopplingar som kan informera framtida sökningar efter mörk materia, särskilt för mörka fotoner. Dessutom förstärker deras arbete det nuvarande globala intresset för att utforska andra kandidater för mörk materia, som går utöver WIMPs och deras detekteringskanal för elastisk spridning med kärnan.

” för att ytterligare avancera sökandet efter ljus mörk materia, kommer vi att återinstallera CDex-10 detektor array i en ny, större flytande kväve kryo-tank med en volym på ca 1700 m3 på Hall-C i den nya cjpl-II laboratorium i nästa två år, där avskärmning från omgivande radioaktivitet tillhandahålls av 6 meter tjockt flytande kväve,” Yue sa. ”Ytterligare germaniumdetektorer, upp till cirka 100 kg, planeras för utplacering i kryotanken med reducerad bakgrund och högre detektionseffektivitet.”

mer information: Z. hon et al. Direkta Detekteringsbegränsningar på mörka fotoner med CDex-10-experimentet vid China Jinping Underground Laboratory, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.111301

journalinformation: fysiska Granskningsbrev

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.