Nuovo metodo per cercare la materia oscura ad interazione forte all'interno dei rivelatori di neutrini

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di Ingrid Fadelli , Phys.org

I fisici di tutto il mondo stanno cercando di rilevare le particelle di materia oscura (DM) e le loro interazioni con la materia visibile utilizzando varie strategie e rivelatori. Poiché queste particelle non emettono, riflettono o assorbono luce, finora si sono dimostrate molto difficili da osservare, in particolare utilizzando i comuni metodi sperimentali. 

Ricercatori di TRIUMF, Università del Minnesota, Università della California Berkeley e Università di Stanford hanno recentemente proposto un nuovo approccio che potrebbe aiutare a rilevare queste misteriose particelle, non spiegate dal modello standard. Questo approccio, presentato in un articolo pubblicato su Physical Review Letters, mira a rilevare segnali che suggeriscono l'annientamento della materia oscura in materia visibile all'interno di grandi rivelatori di neutrini.

"La DM terrestre (particelle di DM intrappolate sulla Terra tramite collisioni con i costituenti della Terra) che interagisce in modo sufficientemente forte con la materia barionica ordinaria può avere una densità estremamente grande, quasi 15 ordini di grandezza maggiore della densità di DM galattica (~ 0,3 GeV / cm3)", ha detto Anupam Ray, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, a Phys.org.

“Ora la grande domanda era: come rilevare tali particelle di DM che sono piuttosto abbondanti nel volume terrestre? Poiché la loro energia cinetica è minima (~ 0,03 eV), la loro rilevazione negli esperimenti di rivelazione diretta tradizionali è quasi impossibile poiché questi esperimenti non sono sensibili a una deposizione di energia così bassa. Quindi, stavamo pensando a modi nuovi per rilevare tali particelle di DM."

Invece di cercare segnali che suggeriscano la dispersione delle particelle di DM, come hanno fatto finora la maggior parte degli sforzi di rilevamento diretto, Ray e i suoi colleghi hanno suggerito di osservare i loro segnali di annientamento. Questi sono segnali che si verificano quando la DM viene annientata, o in altre parole quando collide con altre particelle e viene distrutta, rilasciando energia nel processo.

A differenza dei segnali di dispersione, i segnali di annientamento non sono limitati a piccole quantità di energia cinetica, quindi potrebbero potenzialmente essere più facili da cercare e rilevare. Poiché si teorizza che le particelle di DM terrestre siano abbondanti, i ricercatori hanno suggerito di cercarle cercando segnali che suggeriscano il loro annientamento all'interno di rivelatori di neutrini di grande volume, come il Super-Kamiokande. Si tratta di un rivelatore Cherenkov su larga scala situato sotto il monte Ikeno in Giappone, che viene utilizzato per studiare neutrini provenienti dal sole, da supernovae, dall'atmosfera e da altre fonti.

"Le DM terrestri che interagiscono fortemente con la materia barionica ordinaria sono abbondanti all'interno di qualunque rivelatore di neutrini di grande volume, come il Super-Kamiokande", ha spiegato Ray. "Se si annientano all'interno del volume fiduciario del Super-Kamiokande, potrebbero indurre segnali osservabili. Il Super-K può cercare facilmente questi prodotti di annientamento e da queste ricerche si potrebbe ottenere una sensibilità senza precedenti ai parametri di DM. È importante sottolineare che, anche se queste particelle di DM terrestre che interagiscono fortemente costituiscono solo una piccola frazione della densità totale di DM (non c'è motivo di credere che la DM sia costituita da una singola specie), il nostro metodo proposto può fornire una sensibilità leader mondiale ai parametri di DM."

Il recente lavoro di questo team di ricercatori introduce un nuovo metodo che potrebbe aiutare ad indagare sulle particelle di DM terrestre che interagiscono fortemente, che si teorizza siano molto abbondanti e che finora sono state molto difficili da osservare. Anche se queste particelle specifiche costituiscono solo una piccola frazione della densità di DM attuale, questo nuovo metodo potrebbe funzionare notevolmente bene e potrebbe quindi contribuire alla ricerca in corso sulla DM.

"Vogliamo ora esplorare le firme dei neutrini provenienti dalla DM terrestre che interagisce fortemente", ha aggiunto Ray. "In questo studio, non siamo sensibili a una massa di DM relativamente elevata (ad esempio, una massa di DM di 10 GeV o più). Infatti, all'aumentare della massa della DM, essa si concentra verso il centro della Terra e di conseguenza la sua densità numerica all'interno del volume del Super-Kamiokande diminuisce significativamente, producendo un segnale trascurabile. Tuttavia, utilizzando il segnale del neutrino, speriamo di indagare lo spazio dei parametri DM pesanti."

Informazioni sulla rivista: Physical Review Letters

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