"Sygnały 'mgły neutrinowej' mogą utrudnić wysiłki w wykrywaniu ciemnej materii"

12 listopada 2024 roku nowości

Ten artykuł został zrewidowany zgodnie z procesem redakcyjnym i politykami Science X. Redaktorzy wyróżnili następujące cechy, zapewniając jednocześnie wiarygodność treści:

• Sprawdzanie faktów
• Publikacja z recenzją rówieśników
• Zaufane źródło
• Sprawdzone

przez Davida Appella , Phys.org

Jak gdyby poszukiwanie ciemnej materii nie było wystarczająco trudne, fizycy mogli wykryć kolejną przeszkodę znana jako "mgła neutrinowa" emitowana przez słoneczne neutrina przechodzące przez Ziemię.

Obecnie prowadzone są kilka eksperymentów w celu wykrycia ciemnej materii, hipotetycznej substancji stanowiącej 27% masy-energii wszechświata i wyjaśniającej krzywe obrotu galaktyk i nie tylko. Ciemna materia jest oczekiwana jako zimne cząstki, które są prawie nieoddziałujące z materią zwyczajną, dlatego są one nazywane masowymi cząstkami słabo oddziałującymi (WIMPs).

Jedną z popularnych metod wykrywania ciemnej materii jest głębokie przechowywanie podziemnych zbiorników na ksenon w postaci ciekłej. Miejmy nadzieję, że ciemna materia uderzająca w Ziemię przedostanie się przez skałę nad nią do detektora, odfiltrując prawie wszystkie promienie kosmiczne, które także uderzają w Ziemię.

Jednak neutrina są także bardzo słabo oddziałującymi cząstkami, które mogą docierać głęboko pod ziemię, a Słońce dostarcza dużego strumienia neutrinów—dla niższych energii do 18 MeV/c2, do 700 bilionów na sekundę na każdy metr kwadratowy.

Niemal całość przechodzi bezpośrednio przez Ziemię, ale nieznaczną część reaguje z atomem lub jądrem. W miarę jak detektory stają się coraz bardziej czułe, ta "mgła neutrinowa" może zakłócać ich zdolność do wykrywania ciemnej materii. Wygląda na to, że zostało to obserwowane w dwóch eksperymentach podziemnych mających na celu wykrycie ciemnej materii: eksperymencie PandaX-4T w Laboratorium Podziemnym China Jinping w Syczuanie i eksperymencie XENONnT w Narodowym Laboratorium Gran Sasso we Włoszech.

Obie grupy opublikowały prace w tym samym dniu w "Physical Review Letters" z dowodami na oddziaływania neutrinowe w swoich detektorach od odrzutów jądrowych, gdy neutrino rozprasza się od jądra ksenonu. Wyniki są nieznacznie poniżej testu znaczenia trzy-sigma, którego fizycy zwykle używają jako dowodu, ale nie zbliżają się jeszcze do standardu pięć-sigma dla odkrycia. Mimo to wyniki sugerują, że "mgła neutrinowa" może znacząco skomplikować ich przyszłe wysiłki.

Słoneczne neutrina są produkowane w łańcuchu reakcji jądrowych Słońca, gdy 8B (bor) rozpada się na 8Be* (bezowa wzbudzona, niestabilna forma), pozytron i elektron neutrino. (Bor ma liczbę atomową 5, z pięcioma protonami w jądrze i sześcioma neutronami; 8B to radioizotop z dwoma dodatkowymi neutronami w jądrze i czasem połowicznego rozpadu wynoszącym tylko 772 milisekundy.)

Te neutrina, stanowiące zaledwie 0,02% wszystkich neutrin słonecznych, łatwo uciekają z ciekłego stanu Słońca i niektóre docierają do Ziemi, niegrzecznie przeszkadzając cierpliwym detektorom ciemnej materii. Te, które się rozpraszają, robią to poprzez proces zwanego sprzężonym elastycznym rozpraszaniem neutrina na jądrze, CEνNS. (Grecka litera ni (ν) to powszechny symbol dla neutrina.)

Neutrino oddziałuje z jądrem jako całość, jest bardziej prawdopodobne niż oddziaływania z poszczególnymi nukleonami lub elektronami. Proces rozpraszania CEνNS został odkryty w akceleratorze w 2017 roku, ale dla niskich energii neutrin jest to bardzo trudne do obserwacji, ponieważ jądro odbijające ma niewielką energię, nawet 1 keV/c2.

Detektory składają się z 1–2 metrów sześciennych ciekłego ksenonu o masie 4–6 ton, w temperaturze około -110°C (163 K), zainstalowanego 1400 metrów pod powierzchnią we Włoszech, 2400 metrów w Chinach. Pierwotnym głównym celem dla obu jest wykrywanie ciemnej materii.

Każdy pobierał dane z dwóch różnych serii eksperymentów przez dwa lata, szukając kandydatów na interakcje CEνNS opartych na przewidywaniach teoretycznych, które obejmują wydajność detektora oraz znany strumień neutrin 8B.

Detektor XENONnT zaobserwował 11 zdarzeń CEνNS dzięki analizie danych uczenia maszynowego (i 26 zdarzeń przypisanych źródłom tła), podczas gdy PandaX-4T zgłosił 75. Mimo że detektor XENONnT ma o 60% większą objętość i miał czas ekspozycji efektywnej masowej o 60% wyższy, PandaX-4T znajduje się kilometr głębiej pod ziemią.

Ale głównym powodem większej ilości zliczeń w PandaX-4T jest niższa progu energii dla tego, co stanowi interakcję. Wadą tego niższego progu jest większy szum tła dla analizy danych do przesiania i eliminacji.

Oba zmierzyły strumień neutrin ze Słońca, który, na siebie nakładający się, jest zgodny z tym, co standardowe modele słoneczne Słońca przewidują—około 50 miliardów neutrin/m2/s i przekrój czynny procesu CEνNS dla ksenonu zgodny ze Standardowym Modelem fizyki cząstek.

W końcu każdy eksperyment uzyskał podobne statystyczne wsparcie, że wykryły one interakcje CEνNS 8B - 2,64 sigma dla PandaX-4T i 2,73 sigma dla XENONnT. (Poziom ufności 3 sigma oznacza, że wynik ma 0,3% szansy na bycie fluktuacją tła; dla 5 sigma jest to tylko 0,00006%.) Jak wspomniano wcześniej, wyniki te nie są wystarczająco wysokie, aby mogły być uznane za dowód.

'Dzięki trwającemu zbieraniu danych przez PandaX-4T i przyszłym modernizacjom, spodziewamy się znacznego poprawienia pomiaru neutrin 8B, otwierając nowe, ekscytujące możliwości naukowe z głębokiego podziemia' - napisała PandaX Collaboration. 'Rozwój detektorów ciekłego ksenonu może również otworzyć nowe możliwości detekcji niskoenergetycznych neutrin za pomocą kanału CEνNS'.

XENON Collaboration napisała: 'W miarę jak XENONnT nadal zbiera dane, oczekuje się bardziej precyzyjnych pomiarów w przyszłości', miejmy nadzieję, że przekroczą one próg 3 sigma dla dowodów.

Więcej informacji: Zihao Bo et al. (PandaX Collaboration), Pierwsza wzmianka o neutrinach słonecznych 8B poprzez rozpraszanie spójne neutrin-jądro w PandaX-4T, Physical Review Letters, 2024. DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.191001

E. Aprile et al. (XENON Collaboration), Pierwsza wzmianka o neutronach słonecznych 8B poprzez rozpraszanie spójne neutrin-jądro z użyciem XENONnT, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.191002. journals.aps.org/prl/abstract/ … ysRevLett.133.191002

Informacje o czasopiśmie: Physical Review Letters

© 2024 Sieci X Science