Tips av en 'neutrino dimma' kunne komplicera ansträngningar att upptäcka mörk materia

12 november 2024 Detodor Den här artikeln har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policys. Redaktörerna har markerat följande attribut och samtidigt säkerställt innehållets trovärdighet: fakta-kontrollerad, granskad av peer-reviewed-publication, tillförlitlig källa, korrekturläst av David Appell, Phys.org. Som om att söka efter mörk materia inte redan är tillräckligt svårt så har fysiker kanske upptäckt en annan hinder känd som en 'neutrino dimma' från solneutriner som strömmar genom jorden. Flera experiment genomförs för närvarande för att upptäcka mörk materia, den hypotetiska något som utgör 27% av universums massa-energi och skulle förklara rotationskurvorna hos galaxer och mer. 

Mörk materia förväntas vara kalla partiklar som nästan inte interagerar med vanlig materia - därför kallas de svagt interagerande massiva partiklar (WIMPs). 

En populär hoppad-upptäckningsmetod är djupa underjordiska lagringsbehållare av xenon i flytande form. Förhoppningen är att mörk materia som påverkar jorden kommer att färdas genom klippan ovanför till detektorn, vilket sållar ut nästan alla kosmiska strålar som också når jorden. 

Men neutriner är också mycket svagt interagerande partiklar som kan nå djupt under jorden, och solen ger en stor flöde av dem - för lägre energier upp till 18 MeV/c2, upp till 700 biljoner per sekund på varje kvadratmeter. Nästan hela flödet passerar direkt genom jorden, men ett försumbart fåtal kommer att reagera med en atom eller kärna. 

När detektorerna blir allt mer känsliga, kan denna 'neutrino dimma' störa deras förmåga att upptäcka mörk materia. Och det verkar nu sannolikt att detta har setts i två underjordiska experiment som letar efter mörk materia: PandaX-4T-experimentet beläget vid Kinas Jinping-underjordiska laboratorium i Sichuan och XENONnT-experimentet vid det nationella Gran Sasso-laboratoriet i Italien. 

Båda grupperna publicerade papper samma dag i Physical Review Letters med bevis på neutrino-interaktioner i sin detektor från kärnrekyler när ett neutrino sprider sig från en xenonkärna. Även om deras resultat bara är strax under tre-sigma-testet för signifikans som fysiker sedvanligt använder som bevis, når de ännu inte den fem-sigma-standard för en upptäckt. Ändå antyder resultaten att neutrino dimman mycket väl kan komplicera deras framtida ansträngningar. 

Solneutriner produceras i solens kedja av kärnreaktioner, när 8B (bor) sönderfaller till 8Be* (beryllium i ett exciterat, instabilt tillstånd), en positron och en elektron-neutrino. (Bor har ett atomnummer på 5, med fem protoner i dess kärna och sex neutroner; 8B är en radioisotop med två fler neutroner i kärnan och en halveringstid på endast 772 millisekunder.) 

Dessa neutriner, som bara utgör 0,02% av alla solneutriner, undviker lätt solplasman och några strömmar till jorden, dåligt avbryter de tålmodiga mörk materia-detektorerna. De som scatter gör det genom en process som kallas koherent elastisk neutrino-kärnspridning, eller CEνNS. (Det grekiska bokstaven nu (ν) är den vanliga symbolen för ett neutrino.) Neutrino interagerar med kärnan som helhet och är mer troligt än interaktioner med individuella nukleoner eller elektroner. 

CEνNS-spridningsprocessen upptäcktes på en accelerator år 2017, men för de låga neutrinoenergierna är det mycket svårt att observera eftersom den rekylande kärnan har en liten energi, så låg som 1 keV/c2. Detektorerna består av 1-2 kubikmeter flytande xenon med en massa på 4-6 ton, vid en temperatur på cirka -110°C (163 K), installerade 1 400 meter under ytan i Italien, 2 400 meter i Kina. 

Det primära initiala målet för båda är att upptäcka mörk materia. Båda samlade data från två olika experimentella körningar under loppet av två år, och sökte efter kandidat CEνNS-interaktioner baserat på teoretiska förutsägelser som inkluderar detektorns prestanda och den kända flödet av 8B-neutriner. 

XENONnT:s detektor observerade 11 CEνNS-händelser via maskininlärningsdataanalys (och 26 händelser tillskrivna bakgrundskällor), medan PandaX-4T rapporterade 75. Även om XENOXnTs detektor har 60% mer volym och hade en effektiv massa exponeringstid 60% högre, är PandaX-4T en kilometer djupare under jorden. 

Men huvudorsaken till PandaX-4T:s större antal är en lägre tröskelenergi för vad en interaktion utgör. Nackdelen med denna lägre tröskel är högre bakgrundsljud för dataanalysen att bearbeta och eliminera. Både mätte en neutrino flöde från solen som, i överlapp, är förenligt med vad de vanliga solmodellerna för solen förutsäger - cirka 50 miljarder neutriner/m2/s, och en spridningssektion av CEνNS-processen för Xenon förenligt med Standardmodellen för partikelfysik.

I slutändan erhöll varje experiment liknande statistiskt förtroende för att de hade upptäckt 8B CEνNS-interaktioner—2,64 sigma för PandaX-4T och 2,73 sigma för XENONnT. (Ett förtroende på 3 sigma betyder att resultatet har en 0,3% chans att vara en bakgrundsförvrängning; 5 sigma har endast en chans på 0,00006%.) Som tidigare nämnts är dessa siffror inte tillräckligt höga för att resultaten ska betraktas som bevis.

”Med kontinuerlig datainsamling från PandaX-4T och framtida uppgraderingar förväntar vi oss att signifikant förbättra mätningen av 8B-neutriner, vilket öppnar upp spännande nya vetenskapliga möjligheter från djupt under jorden,” skrev PandaX-samarbetet. ”Utvecklingen av flytande xenondetektorer kan också öppna nya vägar för detektering av lågenergi-neutriner med hjälp av CEνNS-kanalen.”

”När XENONnT fortsätter att samla in data förväntas mer precisa mätningar i framtiden,” skrev XENON-samarbetet, förhoppningsvis överstiger tröskeln på 3 sigma för bevis.

Mer information:
Zihao Bo et al. (PandaX Collaboration), First Indication of Solar 8B Neutrinos through Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering in PandaX-4T, Physical Review Letters, 2024. DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.191001

E. Aprile et al. (XENON Collaboration), First Indication of Solar 8B Neutrinos via Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering with XENONnT, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.191002. journals.aps.org/prl/abstract/ ... ysRevLett.133.191002

Journal information:
Physical Review Letters

© 2024 Science X Network