Hinweise auf einen 'Neutrino-Nebel' könnten die Bemühungen zur Entdeckung von Dunkler Materie komplizieren

12. November 2024

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von David Appell, Phys.org

Als ob die Suche nach Dunkler Materie nicht schon schwierig genug wäre, haben Physiker möglicherweise eine weitere Hürde entdeckt, die als 'Neutrino-Nebel' bekannt ist, der von solaren Neutrinos verursacht wird, die durch die Erde strömen.

Derzeit werden mehrere Experimente durchgeführt, um Dunkle Materie nachzuweisen, das hypothetische Etwas, das 27 % der Masse-Energie des Universums ausmacht und die Rotationskurven von Galaxien und mehr erklären würde. Dunkle Materie wird erwartet, kalt Teilchen zu sein, die nahezu nicht mit normaler Materie interagieren - weshalb sie als weakly interacting massive particles (WIMPs) bezeichnet werden.

Eine beliebte Methode zur erhofften Entdeckung ist die Verwendung von tiefen unterirdischen Lagertanks mit flüssigem Xenon. Die Hoffnung besteht darin, dass Dunkle Materie, die auf die Erde trifft, durch das Gestein darüber zum Detektor reisen wird und dabei fast alle kosmischen Strahlen herausfiltert, die ebenfalls auf die Erde treffen.

Aber auch Neutrinos sind sehr schwach wechselwirkende Teilchen, die tief unter der Erde eindringen können, und die Sonne liefert einen großen Fluss von ihnen - für niedrigere Energien bis zu 18 MeV/c2, bis zu 700 Billionen pro Sekunde auf jedem Quadratmeter.

Fast die gesamten Neutrinos durchqueren die Erde direkt, aber nur sehr wenige werden mit einem Atom oder Kern reagieren. Da die Detektoren immer empfindlicher werden, kann dieser 'Neutrino-Nebel' ihre Fähigkeit zur Entdeckung von Dunkler Materie beeinträchtigen. Und es scheint nun wahrscheinlich zu sein, dass dies in zwei unterirdischen Experimenten, die nach Dunkler Materie suchen, beobachtet wurde: das PandaX-4T-Experiment im China Jinping Underground Laboratory im Sichuan und das XENONnT-Experiment am Gran Sasso National Laboratory in Italien.

Beide Gruppen veröffentlichten am selben Tag in den Physical Review Letters Papiere mit Belegen für Neutrino-Wechselwirkungen in ihren Detektoren durch nukleare Rückstöße, wenn ein Neutrino von einem Xenon-Kern gestreut wird. Obwohl ihre Ergebnisse knapp unter dem dreisigma-Testniveau liegen, das Physiker üblicherweise für Beweise verwenden, erreichen sie noch nicht den fünfsigma-Standard für eine Entdeckung. Dennoch deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der Neutrino-Nebel ihre zukünftigen Bemühungen erschweren könnte.

Solare Neutrinos werden in der Kette der nuklearen Reaktionen der Sonne produziert, wenn 8B (Bor) zu 8Be* (Beryllium in einem angeregten, instabilen Zustand), einem Positron und einem Elektron-Neutrino zerfällt. (Bor hat eine Ordnungszahl von 5, mit fünf Protonen in seinem Kern und sechs Neutronen; 8B ist ein radioaktives Isotop mit zwei weiteren Neutronen im Kern und einer Halbwertszeit von nur 772 Millisekunden.)

Diese Neutrinos, die nur 0,02 % aller solaren Neutrinos ausmachen, entweichen leicht aus dem sonnenplasma und einige strömen zur Erde, in die Geduld der Dunkler Materie-Detektoren einbrechend. Diejenigen, die sich zerstreuen, tun dies durch einen Prozess namens kohärente elastische Neutrino-Kern-Streuung, oder CEνNS. (Der griechische Buchstabe nu (ν) ist das gebräuchliche Symbol für ein Neutrino.)

Das Neutrino wechselwirkt als Ganzes mit dem Kern und ist wahrscheinlicher als Wechselwirkungen mit einzelnen Nukleonen oder Elektronen. Der CEνNS-Streuungsprozess wurde 2017 in einem Beschleuniger entdeckt, aber für die geringen Neutrinoenergien ist es sehr schwierig zu beobachten, da der zerstreute Kern eine geringe Energie hat, so niedrig wie 1 keV/c2.

Die Detektoren bestehen aus 1-2 Kubikmetern flüssigem Xenon mit einer Masse von 4-6 Tonnen, bei einer Temperatur von etwa -110°C (163 K), installiert 1.400 Meter unter der Erdoberfläche in Italien, 2400 Meter in China. Das anfängliche Hauptziel für beide besteht darin, Dunkle Materie zu entdecken.

Jede von ihnen sammelte Daten aus zwei verschiedenen Experimenten in einem Zeitraum von zwei Jahren, in denen nach Kandidaten für CEνNS-Wechselwirkungen gesucht wurde, basierend auf theoretischen Vorhersagen, die die Detektorleistung und den bekannten Fluss von 8B-Neutrinos umfassen.

Der Detektor von XENONnT beobachtete 11 CEνNS-Ereignisse durch maschinelles Lernen der Datenanalyse (und 26 Ereignisse, die auf Hintergrundquellen zurückzuführen waren), während PandaX-4T 75 berichtete. Obwohl der Detektor von XENOXnT 60 % mehr Volumen hatte und eine um 60 % höhere effektive Masse-Expositionszeit aufwies, liegt PandaX-4T einen Kilometer tiefer unter der Erde.

Der Hauptgrund für die größere Anzahl bei PandaX-4T ist jedoch ein niedrigerer Schwellenwert für das, was als Wechselwirkung betrachtet wird. Der Nachteil dieses niedrigeren Schwellenwerts besteht in einem größeren Hintergrundrauschen, durch das die Datenanalyse durchgeführt und eliminiert werden muss.

Beide maßen einen Neutrino-Fluss von der Sonne, der sich überlappt und konsistent ist mit den Standard-Sonnenmodellen, die etwa 50 Milliarden Neutrinos/m2/s vorhersagen, sowie einem Streuquerschnitt des CEνNS-Prozesses für Xenon, der mit dem Standardmodell der Teilchenphysik übereinstimmt.

Am Ende erhielt jedes Experiment eine ähnliche statistische Sicherheit, dass sie 8B CEνNS-Interaktionen nachgewiesen hatten - 2,64 Sigma für PandaX-4T und 2,73 Sigma für XENONnT. (Ein 3-Sigma-Vertrauensniveau bedeutet, dass das Ergebnis eine 0,3%ige Chance hat, eine Hintergrundschwankung zu sein; 5-Sigma hat nur eine 0,00006%ige Chance.) Wie oben erwähnt, sind diese Ergebnisse nicht hoch genug, um als Beweis betrachtet zu werden. "Mit der laufenden Datenerfassung von PandaX-4T und den zukünftigen Upgrades erwarten wir eine deutliche Verbesserung der 8B-Neutrinomessung, die aufregende neue wissenschaftliche Möglichkeiten aus der Tiefe des Untergrunds eröffnet", schrieb die PandaX Collaboration. "Die Entwicklung von Flüssig-Xenon-Detektoren könnte auch neue Wege für die Detektion von Niedrigenergie-Neutrinos über den CEνNS-Kanal eröffnen." Die XENON Collaboration schrieb: "Während XENONnT weiterhin Daten sammelt, werden in Zukunft genauere Messungen erwartet", in der Hoffnung, den 3-Sigma-Schwellenwert für einen Beweis zu übertreffen. Weitere Informationen: Zihao Bo et al. (PandaX Collaboration), Erster Hinweis auf solare 8B-Neutrinos durch kohärente elastische Neutrino-Kern-Streuung in PandaX-4T, Physical Review Letters, 2024. DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.191001 E. Aprile et al. (XENON Collaboration), Erster Hinweis auf solare 8B-Neutrinos durch kohärente elastische Neutrino-Kern-Streuung mit XENONnT, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.191002. journals.aps.org/prl/abstract/… ysRevLett.133.191002 Zeitschrifteninformation: Physical Review Letters © 2024 Science X Network