Hints of a 'neutrino fog' could complicate efforts to detect dark matter

12 november 2024

kenmerk

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en de beleidslijnen van Science X. Redacteuren hebben de volgende eigenschappen benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgden:

• gefactcheckt
• peer-reviewed publicatie
• vertrouwde bron
• gecorrigeerd

door David Appell, Phys.org

Alsof het zoeken naar donkere materie al niet moeilijk genoeg is, hebben natuurkundigen misschien nog een hindernis gedetecteerd die bekend staat als een 'neutrino-mist' van zonale neutrino's die door de aarde stromen.

Er worden momenteel verschillende experimenten uitgevoerd om donkere materie te detecteren, het hypothetische iets dat 27% van de massa-energie van het heelal vormt en de rotatiecurven van sterrenstelsels en meer zou verklaren. Donkere materie wordt verwacht koude deeltjes te zijn die bijna niet interageren met normale materie - vandaar dat ze zwak interagerende massieve deeltjes (WIMPs) worden genoemd.

Een populaire gehoopte detectiemethode is diepe ondergrondse opslagcontainers van xenon in vloeibare vorm. De hoop is dat donkere materie die op de aarde inslaat, door de rots erboven naar de detector zal reizen en bijna alle kosmische straling zal afschermen die ook de aarde raakt.

Maar neutrino's zijn ook zeer zwak interagerende deeltjes die diep ondergronds kunnen komen, en de zon levert een grote stroom van hen - voor lagere energieën tot 18 MeV/c2, tot 700 biljoen per seconde per vierkante meter.

Bijna het geheel gaat direct door de aarde heen, maar een klein deel zal reageren met een atoom of kern. Naarmate detectoren gevoeliger worden, kan deze 'neutrino-mist' hun vermogen om donkere materie te detecteren verstoren. En het lijkt er nu op dat dit gezien is in twee ondergrondse experimenten die op zoek zijn naar donkere materie: het PandaX-4T-experiment gevestigd in het China Jinping-ondergronds laboratorium gevestigd in Sichuan en het XENONnT-experiment in het Gran Sasso National Laboratory in Italië.

Beide groepen publiceerden op dezelfde dag papers in Physical Review Letters met bewijs van neutrino-interacties in hun detector van nucleaire terugslag terwijl een neutrino verstrooit van een xenonkern. Hoewel hun resultaten net onder de drie-sigma toets van significantie liggen die natuurkundigen gewoonlijk gebruiken voor bewijs, benaderen ze nog niet de vijf-sigma standaard voor een ontdekking. Toch suggereren de resultaten dat de neutrino-mist hun toekomstige inspanningen wel eens zou kunnen compliceren.

Zonale neutrino's worden geproduceerd in de keten van kernreacties van de zon, wanneer 8B (boor) vervalt tot 8Be* (beryllium in een opgewonden, onstabiele toestand), een positron en een elektron-neutrino. (Boor heeft een atoomnummer van 5, met vijf protonen in de kern en zes neutronen; 8B is een radio-isotoop met twee meer neutronen in de kern, en een halfwaardetijd van slechts 772 milliseconden.)

Deze neutrino's, die slechts 0,02% van alle zonneneutrino's uitmaken, ontsnappen gemakkelijk aan het zonneplasma en sommige stromen naar de aarde, onderbreken grof de geduldige detectoren van donkere materie. De weinigen die verstrooien doen dat door een proces dat samenhangende elastische neutrino-kernverstrooiing wordt genoemd, of CEνNS. (Het Griekse letter nu (ν) is het gebruikelijke symbool voor een neutrino.)

De neutrino interageert met de kern als geheel en is waarschijnlijker dan interacties met individuele nucleonen of elektronen. Het CEνNS verstrooingsproces werd ontdekt bij een versneller in 2017, maar voor de lage neutrino-energieën is het erg moeilijk te observeren omdat de terugkaatsende kern een kleine energie heeft, zo laag als 1 keV/c2.

De detectoren bestaan uit 1-2 kubieke meters vloeibaar xenon met een massa van 4-6 ton, bij een temperatuur van ongeveer -110°C (163 K), geïnstalleerd op 1.400 meter onder het oppervlak in Italië, 2400 meter in China. Het oorspronkelijke primaire doel voor beide is om donkere materie te detecteren.

Elk verzamelde gegevens uit twee verschillende experimentele runs gedurende twee jaar, op zoek naar kandidaat CEνNS-interacties op basis van theoretische voorspellingen die de prestaties van de detector en de bekende flux van 8B-neutrino's omvatten.

De detector van XENONnT observeerde 11 CEνNS-gebeurtenissen via machinaal leren dataanalyse (en 26 gebeurtenissen toegeschreven aan achtergrondbronnen), terwijl PandaX-4T er 75 rapporteerde. Hoewel de detector van XENOXnT 60% meer volume heeft en een effectieve massa blootstellingstijd heeft die 60% hoger is, is PandaX-4T een kilometer dieper ondergronds.

Maar de voornaamste reden voor het grotere aantal van PandaX-4T is een lagere drempelenergie voor wat een interactie vormt. Het nadeel van die lagere drempel is een grotere achtergrondruis waardoor de gegevensanalyse moet malen en elimineren.

Beide maten een neutrino-flux van de zon die, qua overlap, consistent is met wat de standaard zonnemodellen van de zon voorspellen - ongeveer 50 miljard neutrino's/m2/s, en een verstrooiingsdoorsnede van het CEνNS-proces voor xenon die consistent is met het Standaardmodel van de deeltjesfysica.

Uiteindelijk verkreeg elk experiment een vergelijkbaar statistisch vertrouwen dat ze 8B CEνNS-interacties hadden gedetecteerd - 2.64 sigma voor PandaX-4T en 2.73 sigma voor XENONnT. (Een betrouwbaarheidsniveau van 3 sigma betekent dat de uitkomst een kans van 0,3% heeft om een achtergrondfluctuatie te zijn; 5 sigma heeft slechts 0,00006% kans.) Zoals hierboven vermeld, zijn deze cijfers niet hoog genoeg om de resultaten als bewijs te beschouwen.

'Met doorlopende gegevensverzameling van PandaX-4T en toekomstige upgrades, verwachten we de meting van 8B-neutrino's aanzienlijk te verbeteren, waardoor er spannende nieuwe wetenschappelijke mogelijkheden ontstaan vanuit diep onder de grond,' schreef de PandaX Collaboration. 'De ontwikkeling van vloeibare xenondetectoren kan ook nieuwe wegen openen voor de detectie van laag-energetische neutrino's via het CEνNS-kanaal.'

De XENON Collaboration schreef: 'Naarmate XENONnT doorgaat met het verzamelen van gegevens, worden er in de toekomst nauwkeurigere metingen verwacht,' hopelijk boven de drempel van 3 sigma voor bewijs.

Meer informatie: Zihao Bo et al. (PandaX Collaboration), Eerste Aanwijzing van Zonale 8B-Neutrino's via Cohérente Elastische Neutrino-Kernverstrooiing in PandaX-4T, Physical Review Letters, 2024. DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.191001

E. Aprile et al. (XENON Collaboration), Eerste Aanwijzing van Zonale 8B-Neutrino's via Cohérente Elastische Neutrino-Kernverstrooiing met XENONnT, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.191002. journals.aps.org/prl/abstract/ … ysRevLett.133.191002

Journal informatie: Physical Review Letters

© 2024 Science X Network