Suche nach durch kosmische Strahlung verstärkter dunkler Sub-GeV-Materie unter Verwendung von Daten aus dem PandaX-II-Experiment

Suche nach durch kosmische Strahlung verstärkter dunkler Sub-GeV-Materie unter Verwendung von Daten aus dem PandaX-II-Experiment

Illustration der tagtäglichen Modulationssignatur von dunkler Materie, die durch kosmische Strahlung verstärkt wird. Bildnachweis: Panda X-II-Kollaboration.

Physiker auf der ganzen Welt setzen ihre Suche nach dunkler Materie fort, einer schwer fassbaren Art von Materie, die kein Licht absorbiert, reflektiert oder emittiert und von der angenommen wird, dass sie den größten Teil der Materie im Universum ausmacht. Eine Art von dunkler Materie, nach der viele Teams speziell gesucht haben, ist Sub-GeV-Dunkle Materie, dunkle Materieteilchen mit Massen unter GeV (Giga-Elektronenvolt).

Die PandaX-II-Kollaboration, ein großes Team von Forschern, die an verschiedenen Instituten und Universitäten in China arbeiten, hat kürzlich eine Suche durchgeführt kosmischen Strahlung verstärkte dunkle Materie, indem es Daten nutzte, die vom PandaX-II-Detektor im China Jinping Underground Laboratory gesammelt wurden. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfung (PRL)erweitern den untersuchten Parameterraum für Dunkle Materie auf Massen von 0,1 MeV bis GeV.

„Leichte Dunkle Materie, deren Masse kleiner als die Protonenmasse ist, wurde normalerweise nicht direkt untersucht, da sie keinen ausreichend großen nuklearen Rückstoß erzeugen kann, um die Schwelle des Detektors zu überschreiten“, sagten die Forscher per E-Mail gegenüber Phys.org. „Zum Glück das Licht Teilchen der Dunklen Materie im Weltraum kann vorbeigetreten werden kosmische Strahlung relativistische Geschwindigkeit haben. Dadurch können sie die direkte Nachweisschwelle überwinden wie zuerst von den Forschern Torsten Bringmann und Maxim Pospelov hervorgehoben.”

In ihrer jüngsten Studie untersuchte die PandaX-II-Kollaboration speziell das tägliche Modulationssignal der Dunklen Materie, das durch kosmische Strahlung „verstärkt“ wird. Dazu analysierten sie die Daten, die der PandaX-II-Detektor im jüngsten Versuch des Experiments gesammelt hatte.

Ihre Analysen bauten auf einer ihrer früheren phänomenologischen Arbeiten auf, veröffentlicht Anfang 2021 in PRL. In dieser früheren Arbeit hatte das Team zum ersten Mal bemerkt, dass durch kosmische Strahlung verstärkte dunkle Materie, die hauptsächlich aus dem Kern unserer Galaxie stammt, eine einzigartige Modulationssignatur hatte.

„Dunkle Materie legt eine bestimmte Strecke innerhalb der Erde zurück, bevor sie den Detektor erreicht, die je nach Erdrotation drastisch zwischen 2 km und 13.000 km variiert“, sagten die Forscher. „Je größer die Distanz, desto stärker die Dämpfungseffekte.“

Basierend auf ihren Beobachtungen erkannte die PandaX-II-Kollaboration, dass eine Kombination aus der Entfernung, die Dunkle Materie im Inneren der Erde zurücklegte, und ihren Dämpfungseffekten zu einer einzigartigen Tagesmodulation führte. In ihrer neuen Studie machten sie sich daher daran, experimentell nach dieser Tagesmodulation zu suchen, indem sie reale Daten analysierten, die vom PandaX-II-Experiment gesammelt wurden.

„Wir haben die vollständigen Daten für insgesamt 100 Tonnen pro Tag verwendet, die vom PandaX-II-Experiment im China Jinping Underground Laboratory gesammelt wurden“, erklärten die Forscher. „Zusätzlich zur einzigartigen Sternzeit haben wir auch die charakteristische hohe Rückstoßenergieverteilung der Ereignisse berücksichtigt. Diese beiden unterschiedlichen Merkmale werden verwendet, um den Hintergrund zu unterdrücken und die Signalempfindlichkeit zu verbessern.“

Zunächst stellte das Team eine Reihe theoretischer Überlegungen an. Insbesondere betrachteten sie sorgfältig die Verteilungen von dunkler Materie und kosmischer Strahlung in unserer Galaxie, indem sie eine Reihe von theoretischen Modellen verwendeten.

„Wir haben die Ausbreitung der Dunklen Materie in der Erde mit einer vollständigen Monte-Carlo-Simulationsmethode modelliert, einschließlich eines detaillierten Jinping-Bergprofils“, sagte die PandaX-II-Kollaboration. „Um die systematische Ungewissheit zu vermeiden, die mit inkohärenten und unelastische Streuung durch die Erde, setzen wir eine Energieunterbrechung bei 200 MeV, was zu einem konservativen und robusten Ausschluss führt.”

Die jüngsten Analysen dieses Forscherteams könnten einen wesentlichen Beitrag zur Suche nach dunkler Sub-GeV-Materie leisten. Tatsächlich erweitern ihre Ergebnisse den untersuchten Parameterraum für Dunkle Materie von 0,1 MeV bis GeV und decken einen entscheidenden Typ von Wechselwirkungen zwischen Dunkler Materie und Nukleonen ab, der bisher für astrophysikalische und kosmologische Sonden nicht zugänglich war.

Unter Verwendung des gleichen Versuchsaufbau und Datensätzen, die in ihren früheren Analysen verwendet wurden, gelang es dem Team, zusätzliche Erkenntnisse zu sammeln und schließlich das „Territorium“ zu erweitern, das durch Experimente erforscht wurde, die direkt auf den Nachweis von Dunkler Materie abzielten. Die PandaX-Kollaboration führt nun ein neues Experiment durch, das als PandaX-4T-Experiment bekannt ist. Das Team plant, weitere Analysen der neu erhobenen Daten durchzuführen.

“Dieses neue Experiment soll die Exposition um mehr als eine Größenordnung verbessern und den Hintergrund deutlich reduzieren”, fügten die Forscher hinzu. „In unseren nächsten Studien werden wir die neuen Daten nutzen, um die Lichtempfindlichkeit weiter zu verbessern Dunkle Materie Detektion mittels des Cosmic-Ray-Boosting-Mechanismus. Wir werden auch aktiv nach einzigartigen Kanälen suchen, um unsere Daten maximal für die Suche nach neuen physikalischen Phänomenen im Allgemeinen zu nutzen.”


Untersuchung der Ergebnisse neuer Suchen nach dunkler Materie durch die PandaX-4T- und ADMX-Kollaborationen


Mehr Informationen:
Xiangyi Cui et al., Suche nach Cosmic-Ray Boosted Sub-GeV Dark Matter beim PandaX-II-Experiment, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.171801

Shao-Feng Ge et al, Diurnal Effect of Sub-GeV Dark Matter Boosted by Cosmic Rays, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.091804

Torsten Bringmann et al, Novel Direct Detection Constraints on Light Dark Matter, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.171801

© 2022 Science X Netzwerk

Zitieren: Suche nach durch kosmische Strahlung verstärkter dunkler Sub-GeV-Materie unter Verwendung von Daten aus dem PandaX-II-Experiment (2022, 16. Mai), abgerufen am 17. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-cosmic-ray-boosted -sub-gev-dark-pandax-ii.html

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