U novoj studiji, naučnici izveštavaju o rezultatima eksperimenta PandaKs-4T, postavljajući stroga ograničenja na interakcije tamne materije i nukleona koristeći niskoenergetske podatke i Migdal efekat, isključujući značajan prostor parametara za termalni model tamne materije.
Tamna materija je jedna od velikih misterija u nauci, koja izmiče direktnoj detekciji i prkosi tradicionalnim modelima. Toliko je obavijeno velom misterije da čak i ne znamo šta su čestice tamne materije i kolika je njihova masa.
To je zato što čestice tamne materije ne stupaju u interakciju sa svetlošću, što ih čini nemogućim za otkrivanje. Vodeći kandidati za čestice tamne materije su aksioni i masivne čestice sa slabom interakcijom (VIMP).
U dubinama Kineske podzemne laboratorije Jinping, eksperiment PandaKs-4T stoji kao svetionik u potrazi za razotkrivanjem misterija tamne materije. Eksperimentalni program koristi ‘ksenonske detektore’ za istraživanje tamne materije, proučavanje neutrina i istraživanje nove fizike, kao što je dvostruki beta raspad bez neutrina.
Sada su naučnici prijavili napredak u potrazi za interakcijama tamne materije i nukleona koristeći PandaKs-4T. Nalazi su objavljeni u Phisical Reviev Letters.
U srcu eksperimenta PandaKs-4T leži najsavremenija dvofazna ksenonska vremenska projekcijska komora (TPC) koja sadrži značajnih 3,7 tona tečnog ksenona unutar osetljive zapremine. Ova sofisticirana komora služi kao primarna arena za interakcije čestica.
Koautor dr Ran Huo sa Instituta za naprednu tehnologiju Šandong objasnio je: „Za svetlu tamnu materiju, maksimalna energija koju tamna materija može da prenese na jezgra ksenona je proporcionalna masi tamne materije na kvadratu“.
„Kada je masa tamne materije ispod nekoliko GeV, energija trzanja usled sudara tamne materije sa jezgrima ksenona nema skoro nikakve šanse da premaši energetski prag detektora.“
Eksperiment PandaKs-4T koristi Migdal efekat da bi se prevazišao ovaj izazov povećanjem osetljivosti eksperimenta, posebno na čestice tamne materije male mase ispod 3 GeV, u pokušaju da ispita interakcije tamne materije i nukleona.
Migdalov efekat uključuje potencijalnu jonizaciju ili pobuđivanje elektrona u atomima, koji čine materijal (u ovom slučaju, ksenon) kroz koji prolazi tamna materija. Nukleoni (protoni i neutroni) unutar atomskih jezgara doživljavaju interakcije sa česticama tamne materije.
Ove interakcije mogu dovesti do ekscitacije ili jonizacije elektrona u okolnim atomima. Kao rezultat, ovi elektroni mogu dobiti energiju iznad keV. Kada ovi elektroni pod naponom prođu kroz tečni ksenon, generišu signale koji se mogu detektovati koji ukazuju na trzaje elektrona u detektoru.
„Jednostavno govoreći, Migdalov efekat nam pomaže da proširimo naš domet za mase tamne materije ispod 3 GeV da bismo ispitali interakcije tamne materije i nukleona“, rekao je dr Jong Jang, koautor studije sa Šangajskog univerziteta Jiao Tong.
U termičkom modelu tamne materije, pretpostavlja se da su čestice tamne materije bile u termalnoj ravnoteži sa prvobitnom supom čestica u ranom univerzumu. Kako se univerzum širio i hladio, ove čestice su se odvojile od termalnog kupatila uz očuvanje određenog izobilja.
Ovaj proces je sličan zamrzavanju, gde se čestice tamne materije smrzavaju u svoje uočeno obilje.
Termalni model tamne materije je posebno privlačan jer pruža prirodni mehanizam za objašnjenje uočenog reliktnog obilja tamne materije u univerzumu. ‘Poništavanje’ ili raspadanje ovih čestica u ranom univerzumu bi proizvelo tačnu gustinu tamne materije koju danas posmatramo.
Ovaj model često uključuje razmatranje specifičnih tipova čestica, kao što su masivne čestice sa slabom interakcijom (VIMP) ili drugi kandidati sa sličnim svojstvima.
„Naš eksperiment je prvenstveno dizajniran za tamnu materiju nalik VIMP-u, u kom slučaju se pretpostavlja da je ‘posrednik sile’ (čestica odgovorna za prenos sile između tamne materije i obične materije) veoma teška, tako da je interakcija izuzetno kratka. rangirani“, primetio je dr Jang.
Fleksibilnost modela PandaKs-4T pomaže u reprodukciji uočene količine tamne materije kroz uništavanje čestica tamne materije u čestice standardnog modela tokom ranog univerzuma, pokazujući raznovrstan prostor parametara.
Ciljani pristup PandaKs-4T koristio je optimizovane niskoenergetske podatke za postavljanje strogih ograničenja na jačinu interakcije tamne materije i nukleona za tamne mase u rasponu od 0,03 do 2 GeV.
„Nova analiza direktno testira neku vrstu termalnog modela tamne materije — parovi tamne materije koji se uništavaju u običnu materiju preko tamnog fotona u ranom univerzumu — i eliminiše značajan prostor parametara koji se ranije smatrao verovatnim“, objasnio je dr Huo.
U suštini, studija unapređuje naše razumevanje ograničavanjem potencijalnih scenarija za interakcije tamne materije preko tamnog fotona, koji je posrednik.
Uspeh eksperimenta u ispitivanju čestica tamne materije u opsegu od 0,03 do 2 GeV nudi dragocene uvide, poboljšavajući naše razumevanje termalnog modela tamne materije.
Istraživači ističu dva moguća načina za buduće studije sa PandaKs-4T.
„Cilj nam je da poboljšamo izloženost, kroz povećane podatke ili veću metu ksenona, da bismo se udubili u niže preseke interakcije tamne materije i nukleona.
„Ova proširena ekspozicija ima potencijal da razjasni zamršenost pozadine u niskoenergetskom domenu, na koju pretežno utiču katodne elektrode i buka mikro pražnjenja“, rekao je dr Huo.
„S druge strane, naša studija nema osetljivost na ovu interakciju za tamnu materiju lakšu od 30 MeV, ispod koje nam Migdal efekat više ne može pomoći. To znači da su nam potrebne nove metode detekcije“, priznao je dr Jang.
