Neue Methode zur Suche nach stark wechselwirkender Dunkler Materie innerhalb von Neutrinodetektoren

Dieser Artikel wurde gemäß dem redaktionellen Prozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Herausgeber haben die folgenden Eigenschaften hervorgehoben und dabei auf die Glaubwürdigkeit des Inhalts geachtet:

• Fakten geprüft
• Gutachterliche Begutachtung
• Vertrauenswürdige Quelle
• Lektoriert

von Ingrid Fadelli , Phys.org

Physiker auf der ganzen Welt versuchen, Dunkle Materie (DM)-Teilchen und ihre Wechselwirkungen mit sichtbarer Materie mit verschiedenen Strategien und Detektoren nachzuweisen. Da diese Teilchen kein Licht emittieren, reflektieren oder absorbieren, ist es bisher äußerst schwierig, sie zu beobachten, insbesondere mit gängigen experimentellen Methoden. 

Forscherinnen und Forscher des TRIUMF, der University of Minnesota, der University of California Berkeley und der Stanford University haben kürzlich einen neuen Ansatz vorgeschlagen, der dabei helfen könnte, diese mysteriösen Teilchen, die durch das Standardmodell nicht erklärt werden können, nachzuweisen. Dieser Ansatz, der in einem Beitrag in Physical Review Letters vorgestellt wurde, zielt darauf ab, Signale aufzuspüren, die auf die Vernichtung von Dunkler Materie zu sichtbarer Materie in großen Neutrino-Detektoren hinweisen.

"Auf der Erde gefangene DM-Teilchen (DM-Teilchen, die in der Erde durch Kollisionen mit den Bestandteilen der Erde gefangen werden) in Wechselwirkung mit der gewöhnlichen baryonischen Materie können eine faszinierend hohe Dichte haben, die fast 15 Größenordnungen größer ist als die Dichte der galaktischen DM (~ 0,3 GeV/cm3)", erklärte Anupam Ray, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org.

"Die große Frage war nun: Wie lassen sich solche DM-Teilchen nachweisen, die im Erdvolumen ziemlich zahlreich vorhanden sind? Da ihre kinetische Energie winzig ist (~ 0,03 eV), ist ihre Entdeckung in traditionellen Direktnachweis-Experimenten fast unmöglich, da diese Experimente nicht empfindlich für eine so geringe Energieablagerung sind. Also haben wir über neue Wege nachgedacht, um solche DM-Teilchen nachweisen zu können."

Ray und seine Kolleginnen und Kollegen schlugen vor, anstatt nach Signalen zu suchen, die auf die Streuung von DM-Teilchen hinweisen, wie es bisher die meisten direkten Nachweismethoden getan haben, nach ihren Vernichtungssignalen zu suchen. Bei diesen handelt es sich um Signale, die auftreten, wenn DM-Teilchen vernichtet werden, oder mit anderen Worten, wenn sie mit anderen Teilchen kollidieren und dabei zerstört werden und dabei Energie freisetzen.

Anders als Streusignale sind Vernichtungssignale nicht auf winzige Mengen kinetischer Energie beschränkt, sodass sie potenziell leichter zu suchen und nachzuweisen sein könnten. Da auf der Erde gefangene DM-Teilchen als zahlreich angenommen werden, schlugen die Forscherinnen und Forscher vor, nach Signalen zu suchen, die auf ihre Vernichtung in großen Neutrino-Detektoren hinweisen, wie zum Beispiel Super-Kamiokande. Dies ist ein großflächiger Tscherenkow-Detektor, der sich unter dem Mount Ikeno in Japan befindet und zur Untersuchung von Neutrinos aus der Sonne, Supernovae, der Atmosphäre und anderen Quellen verwendet wird.

"Für auf der Erde gefangene DM-Teilchen, die stark mit gewöhnlicher baryonischer Materie wechselwirken, sind in jedem großen Neutrino-Detektor wie Super-Kamiokande reichlich vorhanden", erläuterte Ray. "Wenn sie innerhalb des fiduziellen Volumens von Super-Kamiokande annihilieren, könnten daraus beobachtbare Signaturen resultieren. Super-K kann diese Annihilationserzeugnisse problemlos untersuchen, und aus diesen Untersuchungen lassen sich unvergleichliche Empfindlichkeiten für DM-Parameter ableiten. Es ist wichtig zu betonen, dass selbst wenn diese stark mit der Erde wechselwirkenden DM-Teilchen nur einen sehr geringen Anteil der gesamten DM-Dichte ausmachen (es gibt keinen Grund anzunehmen, dass DM aus einer einzigen Gattung besteht), unsere vorgeschlagene Methode weltweit führende Empfindlichkeiten für die DM-Parameter liefern kann."

Die kürzlich von diesem Team von Forschern vorgestellte Arbeit einführt eine neue Methode, die dazu beitragen könnte, auf der Erde gefangene stark wechselwirkende DM-Teilchen, die als hoch abundant angenommen werden und bisher sehr schwer zu beobachten sind, zu untersuchen. Selbst wenn diese spezifischen Teilchen nur einen winzigen Anteil der heutigen DM-Dichte ausmachen, könnte diese neue Methode bemerkenswert gut funktionieren und so zur laufenden Suche nach DM beitragen.

"Wir wollen nun die Neutrino-Signaturen von stark mit der Erde wechselwirkender DM untersuchen", fügte Ray hinzu. "In dieser Studie sind wir nicht empfindlich für eine relativ schwere DM-Masse (z. B. eine DM-Masse von 10 GeV oder mehr). Denn je schwerer die DM wird, desto mehr konzentrieren sie sich zum Zentrum der Erde, und infolgedessen nimmt ihre Anzahl innerhalb des Super-Kamiokande-Volumens erheblich ab und ein vernachlässigbares Signal entsteht. Jedoch hoffen wir, mit Hilfe des Neutrino-Signals den schweren DM-Parameterbereich untersuchen zu können."

Zeitschrifteninformationen: Physical Review Letters

© 2023 Science X Network