Nuevo método para buscar materia oscura de interacción fuerte dentro de detectores de neutrinos.

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

Los físicos de todo el mundo están tratando de detectar partículas de materia oscura (DM) y sus interacciones con la materia visible utilizando diversas estrategias y detectores. Dado que estas partículas no emiten, reflejan ni absorben luz, hasta ahora ha resultado muy difícil observarlas, especialmente mediante métodos experimentales comunes.

Investigadores de TRIUMF, Universidad de Minnesota, Universidad de California Berkeley y Universidad de Stanford propusieron recientemente un nuevo enfoque que podría ayudar a detectar estas misteriosas partículas, no explicadas por el modelo estándar. Este enfoque, presentado en un artículo publicado en Physical Review Letters, tiene como objetivo detectar señales que apunten a la aniquilación de materia oscura en materia visible dentro de grandes detectores de neutrinos.

"La materia oscura atrapada en la Tierra (partículas de materia oscura que quedan atrapadas en la Tierra debido a colisiones con sus componentes) que interactúa de manera suficientemente fuerte con la materia bariónica ordinaria puede tener una densidad sorprendentemente grande, casi 15 órdenes de magnitud mayor que la densidad de materia oscura galáctica (~ 0.3 GeV/cm3)", explicó Anupam Ray, uno de los investigadores que realizó el estudio, a Phys.org.

"Ahora la gran pregunta era: ¿cómo detectar tales partículas de materia oscura que son bastante abundantes en el volumen de la Tierra? Dado que su energía cinética es mínima (~ 0.03 eV), su detección en los experimentos de detección directa tradicionales es casi imposible, ya que estos experimentos no son sensibles a una deposición de energía tan baja. Por lo tanto, estábamos pensando en formas novedosas de detectar tales partículas de materia oscura".

En lugar de buscar señales que indiquen la dispersión de partículas de materia oscura, como han hecho la mayoría de los esfuerzos de detección directa hasta ahora, Ray y sus colegas sugirieron observar las señales de aniquilación. Estas son señales que ocurren cuando la materia oscura se aniquila, o en otras palabras, cuando colisionan con otras partículas y se aniquilan, liberando energía en el proceso.

A diferencia de las señales de dispersión, las señales de aniquilación no están limitadas a pequeñas cantidades de energía cinética, por lo que podrían ser potencialmente más fáciles de buscar y detectar. Como se teoriza que las partículas de materia oscura atrapadas en la Tierra son abundantes, los investigadores sugirieron buscarlas buscando señales que apunten a su aniquilación dentro de detectores de neutrinos de gran volumen, como Super-Kamiokande. Este es un detector Cherenkov a gran escala ubicado debajo del Monte Ikeno en Japón, que se utiliza para estudiar neutrinos provenientes del sol, supernovas, la atmósfera y otras fuentes.

"Las partículas de materia oscura atrapadas en la Tierra que interactúan fuertemente con la materia bariónica ordinaria están presentes en abundancia dentro de cualquier detector de neutrinos de gran volumen, como Super-Kamiokande", explicó Ray. "Si se aniquilan dentro del volumen fiducial de Super-Kamiokande, esto podría inducir firmas observables. Super-K puede buscar fácilmente estos productos de aniquilación y, a partir de estas búsquedas, se podría proporcionar una sensibilidad sin precedentes a los parámetros de la materia oscura. Es importante destacar que, incluso si estas partículas de materia oscura atrapadas en la Tierra que interactúan fuertemente constituyen una fracción muy pequeña de la densidad total de materia oscura (no hay razón para creer que la materia oscura esté compuesta por una sola especie), nuestro método propuesto puede proporcionar una sensibilidad líder mundial a los parámetros de la materia oscura".

El trabajo reciente de este equipo de investigadores introduce un nuevo método que podría ayudar a investigar partículas de materia oscura atrapadas en la Tierra que interactúan fuertemente, las cuales se teoriza que son muy abundantes y, hasta ahora, han sido muy difíciles de observar. Incluso si estas partículas específicas solo constituyen una pequeña fracción de la densidad de materia oscura en la actualidad, este nuevo método podría funcionar notablemente bien y, por lo tanto, podría contribuir a la búsqueda continua de materia oscura.

"Ahora queremos explorar las señales de neutrinos procedentes de la materia oscura atrapada en la Tierra que interactúa fuertemente", agregó Ray. "En este estudio, no somos sensibles a una masa de materia oscura relativamente pesada (digamos una masa de materia oscura de 10 GeV o más). Debido a que, a medida que la materia oscura se vuelve más pesada, se concentra hacia el centro de la Tierra y, como consecuencia, su densidad de números dentro del volumen de Super-Kamiokande se reduce significativamente, lo que resulta en una señal insignificante. Sin embargo, mediante el uso de la señal de neutrinos, esperamos explorar el espacio de parámetros de materia oscura pesada".

Información del diario: Physical Review Letters

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