Nouvelle méthode pour rechercher de la matière noire fortement interactive à l'intérieur des détecteurs de neutrinos.

18 juillet 2023 fonctionnalité

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Les physiciens du monde entier tentent de détecter les particules de matière noire (DM) et leurs interactions avec la matière visible en utilisant différentes stratégies et détecteurs. Étant donné que ces particules n'émettent, ne réfléchissent pas et n'absorbent pas la lumière, elles se sont avérées jusqu'à présent très difficiles à observer, en particulier à l'aide des méthodes expérimentales courantes. 

Des chercheurs de TRIUMF, de l'Université du Minnesota, de l'Université de Californie à Berkeley et de l'Université Stanford ont récemment proposé une nouvelle approche qui pourrait aider à détecter ces particules mystérieuses, non expliquées par le modèle standard. Cette approche, présentée dans un article publié dans Physical Review Letters, vise à détecter des signaux indiquant l'annihilation de la matière noire en matière visible à l'intérieur de grands détecteurs de neutrinos.

"Les DM piégés sur Terre (les particules DM qui sont piégées dans la Terre via des collisions avec les constituants de la Terre) qui interagissent suffisamment fortement avec la matière baryonique ordinaire peuvent avoir une densité étonnamment élevée, presque 15 ordres de grandeur supérieure à la densité de DM galactique (~ 0.3 GeV/cm3)", a déclaré Anupam Ray, l'un des chercheurs ayant réalisé l'étude, à Phys.org.

"Maintenant, la grande question était : comment détecter de telles particules de matière noire qui sont assez abondantes dans le volume de la Terre ? Comme leur énergie cinétique est minuscule (~ 0,03 eV), leur détection dans les expériences traditionnelles de détection directe est presque impossible car ces expériences ne sont pas sensibles à une telle dépôt d'énergie faible. Nous réfléchissions donc à des moyens innovants pour détecter de telles particules de matière noire."

Au lieu de rechercher des signaux indiquant la diffusion des particules de matière noire, comme la plupart des efforts de détection directe l'ont fait jusqu'à présent, Ray et ses collègues ont suggéré de rechercher leurs signaux d'annihilation. Ce sont des signaux qui se produisent lorsque les DM sont annihilés, ou en d'autres termes lorsqu'ils entrent en collision avec d'autres particules et sont annihilés, libérant de l'énergie dans le processus.

Contrairement aux signaux de diffusion, les signaux d'annihilation ne sont pas limités à de petites quantités d'énergie cinétique, donc ils pourraient potentiellement être plus faciles à rechercher et à détecter. Comme on suppose que les particules de matière noire piégées sur Terre sont abondantes, les chercheurs ont suggéré de les rechercher en cherchant des signaux indiquant leur annihilation à l'intérieur de détecteurs de neutrinos de grand volume, tels que le Super-Kamiokande. Il s'agit d'un détecteur Cherenkov à grande échelle situé sous le mont Ikeno au Japon, qui est utilisé pour étudier les neutrinos provenant du soleil, des supernovae, de l'atmosphère et d'autres sources.

"Les DM piégés sur Terre qui interagissent fortement avec la matière baryonique ordinaire sont abondamment présents à l'intérieur de tout détecteur de neutrinos de grand volume, comme le Super-Kamiokande", explique Ray. "S'ils s'annihilent à l'intérieur du volume fiduciaire de Super-Kamiokande, cela peut induire des signatures observables. Super-K peut facilement rechercher ces produits d'annihilation et, à partir de ces recherches, fournir une sensibilité sans précédent aux paramètres de DM. Il est important de souligner que, même si ces particules de DM fortement interactives piégées sur Terre ne représentent qu'une très faible fraction de la densité totale de DM (il n'y a aucune raison de croire que le DM est constitué d'une seule espèce), notre méthode proposée peut fournir une sensibilité de pointe aux paramètres de DM."

Le travail récent de cette équipe de chercheurs introduit une nouvelle méthode qui pourrait aider à sonder les particules de matière noire fortement interactives piégées sur Terre, qui sont supposées être très abondantes et ont jusqu'à présent été très difficiles à observer. Même si ces particules spécifiques ne représentent qu'une infime fraction de la densité de DM actuelle, cette nouvelle méthode pourrait fonctionner remarquablement bien et pourrait ainsi contribuer à la recherche continue de DM.

"Nous voulons maintenant explorer les signatures de neutrinos provenant de la matière noire fortement interactive piégée sur Terre", ajoute Ray. "Dans cette étude, nous ne sommes pas sensibles à une masse de DM relativement élevée (par exemple, une masse de DM de 10 GeV ou plus). En effet, à mesure que la DM devient plus lourde, elle se concentre vers le centre de la Terre, et par conséquent, sa densité numérique à l'intérieur du volume de Super-Kamiokande diminue significativement, entraînant un signal négligeable. Cependant, en utilisant le signal des neutrinos, nous espérons pouvoir sonder l'espace des paramètres de DM lourds."

Informations sur la revue : Physical Review Letters

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