Új módszerekkel keresik a sötét anyagot

A Kamioka Csillagvizsgáló Japánban.

A fizikusok világszerte próbálják érzékelni a sötét anyag részecskéket és látható anyaggal való kölcsönhatásukat különböző stratégiák és érzékelők alkalmazásával. Mivel ezek a részecskék nem bocsátanak ki, vernek vissza, vagy nyelnek el fényt, eddig nehéznek bizonyult a megfigyelésük, különösen általános kísérleti módszerekkel. A TRIUMF, a Minnesotai Egyetem, a Kaliforniaia Berkley Egyetem és a Stanford Egyetem kutatói nemrégiben egy új megközelítést javasoltak, melyet a Physical Review Letters magazinban publikáltak. - írja a phys.org.

Dolgozatuk azt célozza meg, hogy arra utaló jeleket keressenek, hogy nagy neutrínó detektorok belsejében a sötét anyag megsemmisül a barion anyaggal való kölcsönhatás következtében.

Anupam Ray a tanulmányt végző egyik kutató azt mondta a phys.org-nak, hogy a Föld-kötötte sötét anyag (sötét anyag részecskék, amik csapdába esnek a Földön a Föld összetevőivel való ütközés révén), ami elég erősen kölcsönhat a rendes barion anyaggal igen nagy sűrűségű, majdnem 15 nagyságrenddel nagyobb, mint a Galaktikus sötét anyag sűrűsége (~ 0.3 GeV/cm3). A nagy kérdés az volt:hogy érzékeljenenk ilyen sötét anyag részecskékat, amik meglehetősen bőségesek a Föld-térfogatban. Mivel kinetikus energiájuk kicsi (~ 0.03 eV), érzékelésük a hagyományos közvetlen észlelési kísérletben majdnem lehetetlen, mivel ezek a kísérletek nem érzékenyek ilyen alacsony energiájú lerakódásokra. Ezért új módszereken gondolkoztak az ilyen sötét anyag részecskéket észlelésére.

Ahelyett, hogy a sötét anyag szóródására utaló jeleket keresnének, ahogy a legtöbb közvetlen detektálási törekvés eddig tette, Ray és kollégái azt javasolták, hogya megsemmisülési jeleket nézzék. Ezek a jelek akkor történnek, amikor a sötét anyag megsemmisül, vagy más szavakkal, amikor más részecskékkel ütközik és kioltódik, energiát felszabadítva a folyamatban.

Ellentétben a szóródási jelekkel, a megsemmisülési jelek nem korlátozódnak kis kinetikus energiára, ezért potenciálisan könnyebb lehet a keresésük és észlelésük.

Mivel a sötét anyag részecskék elvileg bőségesek, a kutatók azt javasolták, hogy úgy keressék őket, hogy nagy volumenű neutrínó detektorok belsejében, mint például a Super-Kamiokande, megsemmisülésükre utaló jeleket keressenek. A Super-Kamiokande egy Japánban, az Ikeno-hegy alatt elhelyezkedő nagy méretű Cherenkov detektor, amit a Napból, szupernóvákból, az atmoszférából és más forrásokból származó neutrínók tanulmányozására használnak.

A Kamioka Csillagvizsgáló Japánban. Forrás: https://phys.org/news/2023-07-method-strongly-interacting-dark-neutrino.html#google_vignette

Ray azt mondja, a Föld-kötötte sötét anyag, ami erősen kölcsönhatásba lép a rendes barion anyaggal bőségesen jelen van bármely nagy méretű neutrínó drtektorban, mint például a Super-Kamiokande. Ha a Super-Kamiokande meghatározó volumenének belsejében megsemmisülnek, megfigyelhető jeleket indukálhatnak. A Super-Kamiokande könnyen keresi ezeket a megsemmisülési termékeket, és ezekből a keresésekből egy nyújthat példanélküli érzékenységet a sötét anyag paraméterekre.

Ray hangsúlyozza, hogy még ha ezek az erősen kölcsönható Föld-kötötte részecskék nagyon kis töredékét teszik is ki a teljes sötét anyag sűrűségnek, (nincs ok azt hinni, hogy a sötét anyag egy fajtából áll) javasolt módszerük világelső érzékenységet nyújt a sötét anyag paraméterekre.

Most az erősen kölcsönható Föld-kötötte sötét anyagból származó neutrínó jeleket akarják felfedezni. Ebben a tanulmányban nem fogékonyak a viszonylag nehéz tömegű sötét anyagra (a 10 GeV vagy annál nagyobb tömegű sötét anyag). Ahogy a sötét anyag nehezebbé válik, a Föld középpontja felé koncentrálódik és következésképpen számsűrűségük a Super-Kamiokande méretén belül jelentősen lecsökken, ami jelentéktelen jelet eredményez. A neutrínó jelek használatával remélik, hogy vizsgálhatják a nehéz sötét anyag paraméter teret.

(Forrás: https://phys.org/)