Новое исследование исследует взаимодействие темной материи и нуклонов с помощью эксперимента PandaX-4T. Фото: Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.191002.
В новом исследовании ученые сообщают о результатах эксперимента PandaX-4T, устанавливающего строгие ограничения на взаимодействия темной материи и нуклонов с использованием данных о низких энергиях и эффекта Мигдала, исключая значительное пространство параметров для модели тепловой реликтовой темной материи.
Темная материя — одна из величайших загадок науки, ускользающая от прямого обнаружения и бросающая вызов традиционным моделям. Оно настолько окутано тайной, что мы даже не знаем, что такое частицы темной материи и какова их масса.
Это связано с тем, что частицы темной материи не взаимодействуют со светом, что делает их невозможными для обнаружения. Ведущими кандидатами на роль частиц темной материи являются аксионы и слабовзаимодействующие массивные частицы (вимпы).
В глубинах китайской подземной лаборатории Цзиньпина эксперимент PandaX-4T служит маяком в поисках разгадки тайн темной материи. В экспериментальной программе используются «ксеноновые детекторы» для исследования темной материи, изучения нейтрино и изучения новой физики, такой как безнейтринный двойной бета-распад.
Теперь ученые сообщили о прогрессе в поиске взаимодействий темной материи и нуклонов с помощью PandaX-4T. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Эксперимент PandaX-4T и эффект Мигдала
В основе эксперимента PandaX-4T лежит современная двухфазная ксеноновая камера временной проекции (TPC), вмещающая значительные 3,7 тонны жидкого ксенона в чувствительном объеме. Эта сложная камера служит основной ареной для взаимодействия частиц.
Соавтор доктор Ран Хо из Шаньдунского института передовых технологий объяснил: «Для легкой темной материи максимальная энергия, которую темная материя может передать ядрам ксенона, пропорциональна квадрату массы темной материи».
«Когда масса темной материи меньше нескольких ГэВ, энергия отдачи из-за столкновения темной материи с ядрами ксенона почти не имеет шансов превысить энергетический порог детектора».
Эксперимент PandaX-4T использует эффект Мигдала для решения этой проблемы за счет повышения чувствительности эксперимента, особенно к маломассивным частицам темной материи с энергией ниже 3 ГэВ, в попытке исследовать взаимодействия темной материи и нуклонов.
Новое исследование исследует взаимодействие темной материи и нуклонов с помощью эксперимента PandaX-4T. Фото: Пол Волкмер/Unsplash.
Эффект Мигдала включает в себя потенциальную ионизацию или возбуждение электронов в атомах, составляющих материал (в данном случае ксенон), через который проходит темная материя. Нуклоны (протоны и нейтроны) внутри атомных ядер взаимодействуют с частицами темной материи.
Эти взаимодействия могут привести к возбуждению или ионизации электронов в окружающих атомах. В результате эти электроны могут приобретать энергию выше кэВ. Когда эти заряженные электроны проходят через жидкий ксенон, они генерируют обнаруживаемые сигналы, указывающие на отдачу электронов в детекторе.
«Проще говоря, эффект Мигдала помогает нам расширить возможности изучения темной материи с массами ниже 3 ГэВ, чтобы исследовать взаимодействия темной материи и нуклонов», — сказал доктор Юн Ян, соавтор исследования из Шанхайского университета Цзяо Тонг.
Тепловая модель темной материи
В тепловой модели темной материи предполагается, что частицы темной материи находились в тепловом равновесии с первичным супом частиц в ранней Вселенной. По мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась, эти частицы отделялись от тепловой ванны, сохраняя при этом определенное количество.
Этот процесс сродни замораживанию, когда частицы темной материи замерзают до наблюдаемого количества.
Модель тепловой темной материи особенно привлекательна, поскольку она обеспечивает естественный механизм объяснения наблюдаемого изобилия реликтовой темной материи во Вселенной. «Аннигиляция» или распад этих частиц в ранней Вселенной создал бы правильную плотность темной материи, которую мы наблюдаем сегодня.
Эта модель часто предполагает рассмотрение конкретных типов частиц, таких как слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP) или других кандидатов со схожими свойствами.
«Наш эксперимент был в первую очередь рассчитан на темную материю, подобную WIMP, и в этом случае «посредник силы» (частица, ответственная за передачу силы между темной материей и обычной материей) предполагается очень тяжелой, поэтому взаимодействие чрезвычайно короткое. дальнего боя», — отметил доктор Янг.
Гибкость модели PandaX-4T помогает воспроизвести наблюдаемое количество темной материи посредством аннигиляции частиц темной материи в частицы стандартной модели в ранней Вселенной, демонстрируя разнообразное пространство параметров.
Целевой подход PandaX-4T использовал оптимизированные данные о низких энергиях, чтобы установить строгие ограничения на силу взаимодействия темной материи с нуклонами для темных масс в диапазоне от 0,03 до 2 ГэВ.
«Новый анализ напрямую проверяет своего рода тепловую модель темной материи — пары темной материи, аннигилирующие в обычную материю через темный фотон в ранней Вселенной — и устраняет существенное пространство параметров, которое ранее считалось правдоподобным», — объяснил доктор Хо.
По сути, исследование уточняет наше понимание, ограничивая потенциальные сценарии взаимодействия темной материи через темный фотон, который является посредником.
Основываясь на открытиях
Успех эксперимента по изучению частиц темной материи в диапазоне от 0,03 до 2 ГэВ дает ценную информацию, улучшающую наше понимание тепловой модели темной материи.
Исследователи выделяют два возможных направления будущих исследований PandaX-4T.
«Мы стремимся улучшить воздействие за счет увеличения количества данных или более крупной ксеноновой мишени, чтобы углубиться в более низкие сечения взаимодействия темной материи и нуклона».
«Это расширенное исследование потенциально может пролить свет на тонкости фона в области низких энергий, на которые преимущественно влияют катодные электроды и шум микроразряда», — сказал доктор Хуо.
«С другой стороны, наше исследование не имеет чувствительности к этому взаимодействию для темной материи светлее 30 МэВ, ниже которой эффект Мигдала уже не может нам помочь. Это означает, что нам нужны новые методы обнаружения», — признал доктор Янг.
