Von unterirdischen Detektoren bis hin zu kosmischen Geheimnissen: Erforschung der Wechselwirkungen zwischen dunkler Materie und Nukleonen

25. November 2023 Funktion

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von Tejasri Gururaj, Phys.org

In einer neuen Studie berichten Wissenschaftler:innen über Ergebnisse des PandaX-4T-Experiments, bei dem strenge Grenzwerte für Wechselwirkungen zwischen Dunkler Materie und Nukleonen unter Verwendung von Niedrigenergie-Daten und dem Migdal-Effekt festgelegt wurden. Damit wird ein signifikanter Parameterbereich für ein thermisches Dunkle-Materie-Relikt-Modell ausgeschlossen. 

Dunkle Materie ist eines der großen Mysterien der Wissenschaft, das der direkten Detektion trotzt und traditionelle Modelle herausfordert. Es ist so rätselhaft, dass wir nicht einmal wissen, woraus dunkle Materiepartikel bestehen und wie viel Masse sie haben.

Dies liegt daran, dass dunkle Materiepartikel nicht mit Licht interagieren und somit unmöglich zu detektieren sind. Die führenden Kandidaten für dunkle Materiepartikel sind Axionen und schwach wechselwirkende massereiche Teilchen (WIMPs).

In den Tiefen des China Jinping Underground Laboratory steht das PandaX-4T-Experiment als Leuchtfeuer in der Suche nach den Geheimnissen der dunklen Materie. Das experimentelle Programm verwendet "Xenon-Detektoren", um dunkle Materie zu erforschen, Neutrinos zu studieren und neue Physik zu untersuchen, wie zum Beispiel den neutrinolosen doppelten Betazerfall.

Jetzt haben Wissenschaftler:innen Fortschritte bei der Suche nach Wechselwirkungen zwischen Dunkler Materie und Nukleonen mithilfe des PandaX-4T-Experiments gemeldet. Die Ergebnisse wurden in Physical Review Letters veröffentlicht.

Im Herzen des PandaX-4T-Experiments befindet sich eine hochmoderne Dual-Phase-Xenon-Zeitprojektionskammer (TPC), die ein beträchtliches Volumen von 3,7 Tonnen flüssigen Xenons beherbergt. Diese ausgeklügelten Kammer dient als Hauptarena für Teilchenwechselwirkungen.

Mitautor Dr. Ran Huo vom Shandong Institute of Advanced Technology erläuterte: "Bei leichter Dunkler Materie ist die maximale Energie, die die Dunkle Materie an die Xenon-Kerne übertragen kann, proportional zur Masse der Dunklen Materie zum Quadrat."

"Wenn die Masse der Dunklen Materie unterhalb einiger GeV liegt, hat die Rückstoßenergie aufgrund der Dunkle-Materie-Kollision mit den Xenon-Kernen kaum eine Chance, die Energiegrenze des Detektors zu überschreiten."

Das PandaX-4T-Experiment nutzt den Migdal-Effekt, um diese Herausforderung zu überwinden und die Empfindlichkeit des Experiments insbesondere für Dunkle-Materie-Teilchen unter 3 GeV zu steigern und somit Wechselwirkungen zwischen Dunkler Materie und Nukleonen zu untersuchen.

Der Migdal-Effekt beinhaltet die potenzielle Ionisation oder Anregung von Elektronen in den Atomen, die das Material (in diesem Fall Xenon) bilden, durch das die Dunkle Materie hindurchgeht. Die Nukleonen (Protonen und Neutronen) innerhalb der Atomkerne erfahren Wechselwirkungen mit den Dunklen-Materie-Teilchen.

Diese Wechselwirkungen können zur Anregung oder Ionisation von Elektronen in den umgebenden Atomen führen. Dadurch können diese Elektronen Energien über keV erhalten. Wenn diese energiereichen Elektronen durch flüssiges Xenon strömen, erzeugen sie nachweisbare Signale, die auf Elektronenrückstöße im Detektor hinweisen.

"Einfach ausgedrückt hilft uns der Migdal-Effekt dabei, unseren Einflussbereich für Dunkle-Materie-Massen unter 3 GeV zu erweitern und die Wechselwirkungen zwischen Dunkler Materie und Nukleonen zu untersuchen", sagte Dr. Yong Yang, Mitautor der Studie von der Shanghai Jiao Tong University.

In einem Modell für thermische Dunkle Materie wird angenommen, dass Dunkle-Materiepartikel im thermischen Gleichgewicht mit der Urbrühe von Teilchen im frühen Universum waren. Mit der Ausdehnung und Abkühlung des Universums entkoppelten sich diese Teilchen von der thermischen Badewanne, während sie eine bestimmte Häufigkeit beibehielten.

Dieser Prozess ähnelt einem Ausfallen, bei dem sich die Dunkle-Materie-Partikel in ihre beobachtete Häufigkeit einschließen.

Das Modell für thermische Dunkle Materie ist besonders attraktiv, da es einen natürlichen Mechanismus zur Erklärung der beobachteten Überbleibselhäufigkeit der Dunklen Materie im Universum liefert. Die "Annihilation" oder Zerfall dieser Teilchen im frühen Universum hätte die richtige Dichte an Dunkler Materie erzeugt, die wir heute beobachten.

Dieses Modell beinhaltet oft die Betrachtung bestimmter Arten von Teilchen, wie schwach wechselwirkende massereiche Teilchen (WIMPs) oder andere Kandidaten mit ähnlichen Eigenschaften.

"Unser Experiment wurde hauptsächlich für WIMP-ähnliche Dunkle Materie konzipiert, bei dem angenommen wird, dass der 'Kraftvermittler' (Teilchen, das die Kraft zwischen Dunkler Materie und gewöhnlicher Materie überträgt) sehr schwer ist, sodass die Wechselwirkung extrem kurzreichend ist", bemerkte Dr. Yang.

Die Flexibilität des PandaX-4T-Modells hilft dabei, die beobachtete Menge an Dunkler Materie durch die Annihilation von Dunkle-Materie-Teilchen in Partikel des Standardmodells während des frühen Universums wiederzugeben und zeigt einen vielfältigen Parameterbereich.

PandaX-4T's targeted approach utilized optimized low-energy data to set strict constraints on dark matter-nucleon interaction strength for dark masses ranging from 0.03 to 2 GeV.

'The new analysis directly tests a kind of thermal dark matter model—dark matter pairs annihilating into ordinary matter via the dark photon in the early universe—and eliminates substantial parameter space that was previously considered plausible,' explained Dr. Huo.

Essentially, the study refines our understanding by restricting the potential scenarios for dark matter interactions via the dark photon, which is the mediator.

The experiment's success in scrutinizing dark matter particles within the 0.03 to 2 GeV range offers valuable insights, refining our comprehension of a thermal dark matter model.

The researchers highlight two possible avenues for future studies with the PandaX-4T.

'We aim to enhance exposure, through increased data or a larger xenon target, to delve into lower dark matter–nucleon interaction cross-sections.'

'This expanded exposure holds the potential to elucidate the intricacies of the background in the low-energy domain, predominantly influenced by cathode electrodes and micro-discharging noise,' said Dr. Huo.

'On the other side, our study has no sensitivity for this interaction for dark matter lighter than 30 MeV, below which the Migdal effect cannot help us anymore. This means we need new detection methods,' acknowledged Dr. Yang.

Journal information: Physical Review Letters

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