Dai rilevatori sotterranei ai segreti cosmici: Esplorando le interazioni materia oscura-nucleone.

25 novembre 2023 caratteristica

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In uno nuovo studio, gli scienziati riportano i risultati dell'esperimento PandaX-4T, imponendo limiti rigorosi sulle interazioni materia oscura-nucleone utilizzando dati a bassa energia e l'effetto Migdal, escludendo importanti spazi di parametri per un modello di materia oscura relicta termica.

La materia oscura è uno dei grandi misteri della scienza, sfuggendo alla rilevazione diretta e sfidando i modelli tradizionali. È così avvolta nel mistero che non sappiamo nemmeno quali siano le particelle di materia oscura e quale sia la loro massa.

Ciò è dovuto al fatto che le particelle di materia oscura non interagiscono con la luce, rendendole impossibili da rilevare. I principali candidati per le particelle di materia oscura sono gli assioni e le particelle massicce debolmente interagenti (WIMPs).

Nelle profondità del Laboratorio sotterraneo di China Jinping, l'esperimento PandaX-4T sta come un faro nella ricerca per svelare i misteri della materia oscura. Il programma sperimentale impiega "rilevatori di xeno" per esplorare la materia oscura, studiare i neutrini e indagare sulla nuova fisica, come il decadimento beta doppio senza neutrini.

Ora, gli scienziati hanno riportato progressi nella ricerca sulle interazioni materia oscura-nucleone utilizzando il PandaX-4T. I risultati sono pubblicati su Physical Review Letters.

Al centro dell'esperimento PandaX-4T si trova una moderna camera a proiezione temporale (TPC) al xeno a doppia fase che ospita un consistente volume di 3,7 tonnellate di xeno liquido. Questa sofisticata camera serve come arena primaria per le interazioni delle particelle.

Il co-autore Dr. Ran Huo dell'Istituto di tecnologia avanzata di Shandong spiega: "Per la materia oscura leggera, l'energia massima che la materia oscura può trasferire ai nuclei di xeno è proporzionale alla massa oscura al quadrato."

"Quando la massa della materia oscura è inferiore a diversi GeV, l'energia di rinculo dovuta alla collisione della materia oscura con i nuclei di xeno non ha quasi possibilità di superare la soglia energetica del rivelatore."

L'esperimento PandaX-4T sfrutta l'effetto Migdal per superare questa sfida, aumentando la sensibilità dell'esperimento, in particolare alle particelle di materia oscura di massa inferiore a 3 GeV, nel tentativo di indagare sulle interazioni della materia oscura-nucleone.

L'effetto Migdal coinvolge l'ionizzazione potenziale o l'eccitazione degli elettroni negli atomi, costituendo il materiale attraverso il quale passa la materia oscura (in questo caso, xeno). I nucleoni (protoni e neutroni) all'interno dei nuclei atomici subiscono interazioni con le particelle di materia oscura.

Queste interazioni possono portare all'eccitazione o all'ionizzazione degli elettroni negli atomi circostanti. Di conseguenza, questi elettroni possono acquisire energie superiori ai keV. Quando questi elettroni eccitati passano attraverso il xeno liquido, generano segnali rilevabili indicativi di rinculi degli elettroni nel rivelatore.

"In parole semplici, l'effetto Migdal ci aiuta ad estendere la nostra portata per le masse della materia oscura inferiori a 3 GeV per investigare sulle interazioni della materia oscura-nucleone", ha detto il dott. Yong Yang, co-autore dello studio della Shanghai Jiao Tong University.

In un modello di materia oscura termica, si assume che le particelle di materia oscura siano state in equilibrio termico con la zuppa primordiale di particelle nell'universo primordiale. Con l'espansione e il raffreddamento dell'universo, queste particelle si sono disaccoppiate dal bagno termico preservando una certa abbondanza.

Questo processo è simile a un congelamento, in cui le particelle di materia oscura si congelano nella loro abbondanza osservata.

Il modello di materia oscura termica è particolarmente interessante perché fornisce un meccanismo naturale per spiegare l'abbondanza osservata delle reliquie di materia oscura nell'universo. L'"annientamento" o decadimento di queste particelle nell'universo primordiale avrebbe prodotto la corretta densità di materia oscura che osserviamo oggi.

Questo modello coinvolge spesso la considerazione di tipi specifici di particelle, come particelle massicce debolmente interagenti (WIMPs) o altri candidati con proprietà simili.

"Il nostro esperimento è stato progettato principalmente per la materia oscura di tipo WIMP, nel qual caso il 'mediatore di forza' (la particella responsabile della trasmissione della forza tra materia oscura e materia ordinaria) si assume che sia molto pesante, quindi l'interazione è estremamente a corto raggio", ha osservato il dott. Yang.

La flessibilità del modello PandaX-4T aiuta a riprodurre l'abbondanza osservata della materia oscura mediante l'annientamento delle particelle di materia oscura in particelle del modello standard durante l'universo primordiale, mostrando un'ampia gamma di parametri.

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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