Des détecteurs souterrains aux secrets cosmiques : Exploration des interactions de la matière noire avec les nucléons.

25 novembre 2023 fonctionnalité

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par Tejasri Gururaj, Phys.org

Dans une nouvelle étude, des scientifiques rapportent les résultats de l'expérience PandaX-4T, établissant des limites strictes sur les interactions entre la matière sombre et les nucléons à l'aide de données à faible énergie et de l'effet Migdal, éliminant ainsi un espace paramétrique important pour un modèle de matière sombre relicte thermique.

La matière sombre est l'un des grands mystères de la science, échappant à la détection directe et défiant les modèles traditionnels. Elle est si enveloppée de mystère que nous ne savons même pas ce que sont les particules de matière sombre et quelle est leur masse.

Cela est dû au fait que les particules de matière sombre n'interagissent pas avec la lumière, ce qui les rend impossibles à détecter. Les principaux candidats pour les particules de matière sombre sont les axions et les particules massives faiblement interactives (WIMPs).

Dans les profondeurs du Laboratoire souterrain de Jinping en Chine, l'expérience PandaX-4T se dresse comme un phare dans la quête pour élucider les mystères de la matière sombre. Le programme expérimental utilise des "détecteurs de xénon" pour explorer la matière sombre, étudier les neutrinos et enquêter sur de nouvelles physiques, telles que la double désintégration bêta sans neutrino.

Maintenant, des scientifiques ont fait état de progrès dans la recherche sur les interactions entre la matière sombre et les nucléons en utilisant le PandaX-4T. Les résultats sont publiés dans Physical Review Letters.

La clé de l'expérience PandaX-4T réside dans une chambre à projection temporelle au xénon en deux phases de pointe (TPC) abritant une quantité importante de 3,7 tonnes de xénon liquide dans un volume sensible. Cette chambre sophistiquée sert d'arène principale pour les interactions des particules.

Le co-auteur, le Dr Ran Huo de l'Institut de technologie avancée de Shandong, a expliqué : "Pour une matière sombre légère, l'énergie maximale que la matière sombre peut transférer aux noyaux de xénon est proportionnelle au carré de la masse de la matière sombre."

"Lorsque la masse de la matière sombre est inférieure à plusieurs GeV, l'énergie de recul due à la collision de la matière sombre avec les noyaux de xénon a presque aucune chance de dépasser le seuil d'énergie du détecteur."

L'expérience PandaX-4T utilise l'effet Migdal pour surmonter ce défi en améliorant la sensibilité de l'expérience, en particulier aux particules de matière sombre de faible masse inférieures à 3 GeV, afin de sonder les interactions entre la matière sombre et les nucléons.

L'effet Migdal implique l'ionisation potentielle ou l'excitation des électrons dans les atomes constituant le matériau (dans ce cas, le xénon) à travers lequel la matière sombre passe. Les nucléons (protons et neutrons) à l'intérieur des noyaux atomiques subissent des interactions avec les particules de matière sombre.

Ces interactions peuvent conduire à l'excitation ou à l'ionisation des électrons dans les atomes environnants. Par conséquent, ces électrons peuvent acquérir des énergies supérieures à keV. Lorsque ces électrons énergisés passent à travers le xénon liquide, ils génèrent des signaux détectables indiquant des récoils d'électrons dans le détecteur.

"En termes simples, l'effet Migdal nous aide à étendre notre portée pour des masses de matière sombre inférieures à 3 GeV afin de sonder les interactions entre la matière sombre et les nucléons", a déclaré le Dr Yong Yang, co-auteur de l'étude de l'Université Jiao Tong de Shanghai.

Dans un modèle de matière sombre thermique, on suppose que les particules de matière sombre étaient en équilibre thermique avec le bouillon primordial de particules dans l'univers primitif. Au fur et à mesure que l'univers s'est étendu et refroidi, ces particules se sont dissocieées du bain thermique tout en conservant une certaine abondance.

Ce processus est semblable à une solidification, où les particules de matière sombre se solidifient dans leur abondance observée.

Le modèle de matière sombre thermique est particulièrement attrayant car il offre un mécanisme naturel pour expliquer l'abondance relicte observée de la matière sombre dans l'univers. L' "annihilation" ou la désintégration de ces particules dans l'univers primitif aurait produit la densité correcte de matière sombre que nous observons aujourd'hui.

Ce modèle implique souvent la prise en compte de types spécifiques de particules, telles que les particules massives faiblement interactives (WIMPs) ou d'autres candidats présentant des propriétés similaires.

"Notre expérience a été principalement conçue pour la matière sombre de type WIMP, auquel cas le 'médiateur de force' (la particule responsable de la transmission de la force entre la matière sombre et la matière ordinaire) est supposé être très lourd, de sorte que l'interaction soit extrêmement à courte portée", a noté le Dr Yang.

La flexibilité du modèle PandaX-4T aide à reproduire la quantité observée de matière sombre par l'annihilation des particules de matière sombre en particules du modèle standard lors de l'univers primitif, montrant un espace de paramètres diversifié.

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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