Prinderea materiei întunecate într-un subsol al aleii cu neutrini

Oamenii de știință de la Laboratorul Național Oak Ridge au încercat să observe materia întunecată într-un hol subteran puternic iluminat folosind sensibilitatea detectorilor lor de neutrini. Aleea Neutrinilor, unde lucrează echipa, este situată sub Sursa de Neutroni Spallation, un puternic accelerator de particule. După ani de calcule teoretice, echipa COHERENT și-a propus să observe materia întunecată, care ar reprezenta până la 85% din masa Universului. Experimentul a permis echipei să extindă căutarea globală a materiei întunecate într-un mod nou și intenționează să primească un detector mult mai mare și mai sensibil pentru a-și îmbunătăți șansele de a prinde particule de materie întunecată.

Puține lucruri poartă aceeași aură de mister ca materia întunecată. Numele în sine radiază secret, sugerând ceva ce pândește în umbra Universului.

O echipă colaborativă de oameni de știință a sunat CONSISTENTa cărui Kate Scholberg, profesor emerit de fizică în arte și științe, Phillip Barbeau, profesor asociat de fizică și cercetător postdoctoral Daniel Pershey, au încercat să scoată materia întunecată din umbra Universului și să o direcționeze către o destinație puțin mai puțin plină de farmec: , coridor îngust într-un subsol.

Nu un subsol obișnuit, totuși. Lucrând într-o zonă a Laboratorului Național Oak Ridge numită Neutrino Alley, echipa se concentrează de obicei pe particulele subatomice numite neutrini. Ele sunt produse atunci când stelele mor și devin supernove sau, la un nivel mai banal, ca un produs secundar al coliziunilor de protoni în acceleratoarele de particule.

Materia întunecată, materia invizibilă care reprezintă 85% din materia din Univers, nu este doar ascunsă între galaxii. O echipă de oameni de știință încearcă să-l scoată din umbră. Credit: X-ray: NASA/CXO/Fabian et al. ; Radio: Gendron-Marsolais et al.; NRAO/AUI/NSF Optics: NASA, SDSS

Nu este o coincidență că Aleea Neutrino este situată direct sub unul dintre cei mai puternici acceleratori de particule din lume, Oak Ridge. Sursa de neutroni de spalație (SNS). Neutrino Alley găzduiește o colecție de detectoare special concepute pentru a observa neutrinii în timp ce trec și se ciocnesc cu ei.

Cu toate acestea, neutrinii nu sunt singurul produs secundar al operațiunilor SNS. Materia întunecată (a nu se confunda cu antimateria preferată a răufăcătorilor din film) este, de asemenea, produsă atunci când acceleratorii de particule zdrobesc protonii împreună. După ani de calcule teoretice, echipa COHERENT și-a propus să valorifice atât puterea SNS, cât și sensibilitatea detectorilor săi de neutrini pentru a observa materia întunecată în Neutrino Alley.

„Și nu am văzut-o”, a spus Scholberg. „Desigur, dacă l-am fi văzut, ar fi fost mai interesant, dar să nu-l vedem este de fapt o mare problemă”.

Ea explică că faptul că materia întunecată nu a fost observată de detectoarele lor de neutrini le permite să perfecționeze semnificativ modelele teoretice despre cum arată materia întunecată.

„Știm exact cum ar reacționa detectorul la materia întunecată dacă materia întunecată ar avea anumite caracteristici, așa că am căutat acea amprentă digitală”.

Kate Scholberg, co-autor Grayson Rich și Philip Barbeau. Credit: Long Li / Universitatea Duke

Amprenta digitală în cauză este modul în care nucleele atomilor din detectorul de neutrini se retrag atunci când sunt lovite de un neutrin sau, în acest caz, de o particulă de materie întunecată.

„Este ca și cum ai arunca proiectile într-o minge de bowling pe o placă de gheață”, a spus Pershey. Mingile de bowling, în analogia lui, sunt atomii conținuti în detectorul de neutrini – care în acest experiment era un cristal de iodură de cesiu de 30 de lire. „Poți spune multe despre proiectil și cât de tare a fost aruncat de recul mingii de bowling la contact”.

Când vine vorba de materia întunecată, toate informațiile sunt informații bune. Nimeni nu știe cu adevărat ce este. Cu aproape 100 de ani în urmă, fizicienii și-au dat seama că Universul nu s-ar putea comporta așa cum a făcut-o dacă ar conține doar ceea ce putem vedea.

„Pluțim într-o mare de materie întunecată”, a spus Jason Newby, lider de grup pentru cercetarea neutrinilor la Oak Ridge National Lab și coautor al studiului. Consensul dintre fizicieni este că materia întunecată reprezintă 85% din masa Universului. Trebuie să fie supus gravitației pentru a explica comportamentul Universului, dar nu interacționează cu niciun fel de lumină sau undă electromagnetică, părând întunecat.

Jason Newby și co-autorul Yuri Efremenko dețin în mână remarcabilul detector de neutrini cu iodură de cesiu de 30 de kilograme, folosit pentru a căuta materie întunecată pe Aleea Neutrinilor. Credit: Genevieve Martin/Oak Ridge National Laboratory, Departamentul de Energie al SUA

„Am învățat acest lucru urmărind galaxiile mari care se învârt unele în jurul celeilalte, văzând că se învârt mult mai repede decât ar trebui, ceea ce înseamnă că au mai multă masă decât par să aibă”, a spus Pershey. „Deci știm că există lucruri suplimentare acolo, trebuie doar să învățăm unde să le căutăm.”

„Chiar dacă ne aflăm în tărâmul celor mai multe rezultate”, a spus Newby, „este foarte important ca oriunde poți privi, să te uiți și apoi să excluzi o mulțime de posibilități și să te concentrezi pe o zonă nouă. cu o strategie. , în loc să folosiți doar o abordare „spaghete on the wall”.

Daniel Pershey. Credit: Universitatea Duke

„Ne extindem aria în modelele de materie întunecată care ar putea exista și asta este foarte puternic”, a spus Scholberg.

Ea subliniază că isprava nu se oprește aici: experimentul a permis, de asemenea, echipei să extindă căutarea globală a materiei întunecate într-un mod nou.

„Tehnologia obișnuită de detectare este de a merge în subteran, de a construi un detector foarte sensibil și de a aștepta ca aceste particule de materie întunecată să treacă”, a spus Pershey.

Problema? Particulele de materie întunecată pot călători destul de liniștit prin aer. Dacă sunt și foarte ușoare, este posibil să nu lovească detectorul cu suficientă energie pentru a crea o amprentă detectabilă.

Configurația experimentală a echipei COHERENT abordează această problemă.

„Când intri într-un accelerator, produc aceste particule la energii semnificativ mai mari”, a spus Pershey. „Și asta le oferă mult mai mult lovi cu pumnul bate în nuclee și aduce semnalul materiei întunecate.

Deci ce acum? Nu este tocmai înapoi la planșa de desen. Neutrino Alley se pregătește în prezent să primească un detector mult mai mare și mai sensibil, care, combinat cu parametrii de căutare rafinați ai COHERENT, va îmbunătăți considerabil șansele de a prinde una dintre aceste particule diabolice.

„Suntem în pragul unde ar trebui să fie materia întunecată”, a spus Pershey.

Referință: „First Probe of Sub-GeV Dark Matter Beyond the Cosmological Expectation with the COHERENT CsI Detector at the SNS” de D. Akimov și colab., 3 februarie 2023, Scrisori de examinare fizică.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.051803