Desde los detectores subterráneos hasta los secretos cósmicos: explorando las interacciones de la materia oscura y los nucleones.
25 de noviembre de 2023 novedad
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por Tejasri Gururaj , Phys.org
En un nuevo estudio, los científicos informan los resultados del experimento PandaX-4T, estableciendo límites estrictos sobre las interacciones entre la materia oscura y el nucleón utilizando datos de baja energía y el efecto Migdal, descartando un espacio de parámetros significativo para un modelo de materia oscura térmica.
La materia oscura es uno de los grandes misterios de la ciencia, eludiendo la detección directa y desafiando los modelos tradicionales. Está tan envuelta en misterio que ni siquiera sabemos qué son las partículas de materia oscura y cuál es su masa.
Esto se debe a que las partículas de materia oscura no interactúan con la luz, lo que las hace imposibles de detectar. Los principales candidatos a partículas de materia oscura son los axiones y las partículas masivas débilmente interactivas (WIMPs).
En las profundidades del Laboratorio Subterráneo China Jinping, el experimento PandaX-4T se erige como un faro en la búsqueda de desentrañar los misterios de la materia oscura. El programa experimental utiliza "detectores de xenón" para explorar la materia oscura, estudiar neutrinos e investigar nueva física, como la desintegración beta doble sin neutrinos.
Ahora, los científicos han informado avances en la búsqueda de interacciones entre la materia oscura y el nucleón utilizando el PandaX-4T. Los hallazgos se publican en Physical Review Letters.
En el corazón del experimento PandaX-4T se encuentra una sofisticada cámara de proyección temporal de xenón de doble fase (TPC) que alberga una sustancial cantidad de 3,7 toneladas de xenón líquido dentro de un volumen sensible. Esta sofisticada cámara sirve como el principal escenario para las interacciones de partículas.
El coautor, Dr. Ran Huo del Instituto Shandong de Tecnología Avanzada, explicó: "Para la materia oscura ligera, la energía máxima que la materia oscura puede transferir a los núcleos de xenón es proporcional a la masa de la materia oscura al cuadrado".
"Cuando la masa de la materia oscura es inferior a varios GeV, la energía de retroceso debido a la colisión de la materia oscura con los núcleos de xenón tiene casi ninguna posibilidad de superar el umbral de energía del detector".
El experimento PandaX-4T aprovecha el efecto Migdal para superar este desafío al mejorar la sensibilidad del experimento, especialmente para partículas de materia oscura de baja masa por debajo de 3 GeV, en un intento por investigar las interacciones entre la materia oscura y el nucleón.
El efecto Migdal implica la ionización o excitación potencial de electrones en los átomos que componen el material (en este caso, el xenón) por el cual pasa la materia oscura. Los nucleones (protones y neutrones) dentro de los núcleos atómicos experimentan interacciones con las partículas de materia oscura.
Estas interacciones pueden provocar la excitación o ionización de electrones en los átomos circundantes. Como resultado, estos electrones pueden adquirir energías superiores a keV. Cuando estos electrones energizados pasan a través del xenón líquido, generan señales detectables que indican retrocesos electrónicos en el detector.
"Hablando simplemente, el efecto Migdal nos ayuda a ampliar nuestro alcance para masas de materia oscura por debajo de 3 GeV para investigar las interacciones entre la materia oscura y el nucleón", dijo el Dr. Yong Yang, coautor del estudio de la Universidad Jiao Tong de Shanghai.
En un modelo de materia oscura térmica, se supone que las partículas de materia oscura han estado en equilibrio térmico con la sopa primordial de partículas en el universo temprano. A medida que el universo se expandió y enfrió, estas partículas se desacoplaron del baño térmico preservando cierta abundancia.
Este proceso es similar a una congelación, donde las partículas de materia oscura se congelan en su abundancia observada.
El modelo de materia oscura térmica es especialmente atractivo porque proporciona un mecanismo natural para explicar la abundancia de materia oscura observada en el universo. La "aniquilación" o desintegración de estas partículas en el universo temprano habría producido la densidad correcta de materia oscura que observamos hoy.
Este modelo a menudo implica la consideración de tipos específicos de partículas, como las partículas masivas débilmente interactivas (WIMPs) u otros candidatos con propiedades similares.
"Nuestro experimento fue diseñado principalmente para la materia oscura similar a WIMP, en cuyo caso el 'mediador de fuerza' (partícula responsable de transmitir la fuerza entre la materia oscura y la materia ordinaria) se asume que es muy pesado, por lo que la interacción es extremadamente de corto alcance", señaló el Dr. Yang.
La flexibilidad del modelo PandaX-4T ayuda a reproducir la cantidad observada de materia oscura a través de la aniquilación de partículas de materia oscura en partículas del modelo estándar durante el universo temprano, mostrando un espacio de parámetros diverso.
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.
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