Un team di ricercatori nella Repubblica di Corea, gli Stati Uniti., Brasile, L'Indonesia e il Regno Unito hanno recentemente effettuato una ricerca diretta di materia oscura potenziata anelastica (IBDM) utilizzando un rilevatore terrestre. Il loro studio, pubblicato in Lettere di revisione fisica ( PRL ), è il primo in assoluto a cercare sperimentalmente l'IBDM utilizzando un rilevatore terrestre.

Le osservazioni raccolte da precedenti studi di astrofisica suggeriscono che la componente principale della materia dell'universo non è la materia ordinaria, ma materia oscura non barionica. I ricercatori hanno compiuto enormi sforzi per cercare la materia oscura tramite rilevamento diretto, rilevamento indiretto e esperimenti di collisione, Eppure così lontano, i loro tentativi non hanno avuto successo.

Questa mancanza di successo li ha incoraggiati a cercare tipi alternativi di materia oscura, come i modelli di massa luminosa o la materia oscura potenziata relativisticamente (BDM), che avrebbe firme sostanzialmente diverse nei rivelatori. Proprio perché questi nuovi tipi di materia oscura produrrebbero firme non convenzionali, pochissimi di loro sono stati oggetto di esperimenti tradizionali sulla materia oscura.

"Anche se gli scienziati hanno costantemente cercato la materia oscura WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) negli ultimi decenni, non sono stati ancora osservati segnali chiari, " Hyun Su Lee, un ricercatore presso l'Istituto per le scienze di base a Daejeon, Corea, che ha condotto il recente studio, ha detto a Phys.org. "Questo ha motivato i ricercatori di altri tipi di materia oscura, che possono dare segnali significativamente differenti nel rivelatore. Un'idea è cercare la materia oscura multicomponente. In questo caso, ogni componente della materia oscura è probabilmente materia oscura WIMP, ma ha una massa diversa."

Alcuni anni fa, ricercatori dell'Università del Maryland e del MIT hanno introdotto un nuovo modello che descrive una particella relativistica di materia oscura potenziata dall'annientamento di particelle di materia oscura più pesanti nel centro galattico o nel sole. Secondo il loro modello, ciò richiederebbe almeno due specie di particelle di materia oscura, comprendente una materia oscura multicomponente.

I candidati di materia oscura con una massa più pesante possono decadere in materia oscura leggera. Poiché la massa è equivalente all'energia, nel caso di materia oscura multicomponente, le differenze di massa tra i diversi componenti porterebbero ad un'alta velocità della materia oscura leggera. Il termine "materia oscura potenziata, ' perciò, fondamentalmente significa che la materia oscura incidente ha una velocità relativamente alta.

"Il segnale atteso dalla materia oscura ad alta velocità è il rinculo energetico degli elettroni, mentre la tipica materia oscura porta un rinculo nucleare a bassa energia, " ha spiegato Lee. "Questa teoria è stata notevolmente sviluppata negli ultimi anni. Dopo di che, i teorici hanno iniziato a pensare allo scattering anelastico, a causa dei molteplici componenti della materia oscura."

In chimica e fisica, Lo scattering anelastico è un processo fondamentale in cui l'energia cinetica di una particella incidente non si conserva, ma è perso o aumentato. Ricercatori del CERN, così come altre istituzioni in Corea e negli Stati Uniti hanno teorizzato un'interazione anelastica della materia oscura potenziata. Secondo le loro teorie, la materia oscura relativistica interagisce con il materiale bersaglio attraverso la diffusione anelastica con gli elettroni, creando uno stato più pesante che in seguito produce particelle modello standard, come le coppie elettrone-positrone.

"Nella dispersione anelastica, il primo elettrone energetico viene prodotto con un'ulteriore particella del settore oscuro, " ha spiegato Lee. "Una particella del settore oscuro sta decadendo in una coppia di elettroni positroni con un certo spostamento. Finora, nessun esperimento ha studiato attentamente questo tipo di segnali, quindi abbiamo pensato che questo potesse essere un buon scenario alternativo per spiegare il problema della materia oscura".

Nel loro studio, Lee e i suoi colleghi hanno effettuato la prima ricerca diretta di IBDM con un rilevatore terrestre. Essenzialmente, hanno immerso otto cristalli di Nal(TI) con una massa totale di 106kg in un 2, Scintillatore liquido da 200L circondato da pesanti scudi per bloccare i fondi radioattivi.

"Abbiamo usato sia NaI(Tl), 106kg, e LS, 2ton, come rivelatore attivo per la ricerca di una coppia di elettroni energetici più elettroni positroni che hanno depositato energie in due diversi componenti del rivelatore, "Ha detto Lee. "A causa della grande massa del rivelatore e dei suoi numerosi componenti, raggiunge una sensibilità relativamente buona per questi tipi di segnali."

Sfortunatamente, Lee e i suoi colleghi non sono stati in grado di rilevare i segnali IBDM nei loro dati. Ciò nonostante, il loro è uno studio pionieristico, poiché nessuno aveva precedentemente utilizzato i rivelatori per cercare questo particolare tipo di materia oscura.

Il loro lavoro è parte di un progetto più grande, soprannominato COSINE-100, che è specificamente finalizzato a testare la modulazione annuale della materia oscura osservata dall'esperimento DAMA. I ricercatori pensano che ulteriori ricerche di segnali IBDM utilizzando lo stesso rivelatore o altri rivelatori di materia oscura su scala tonnellata saranno più fruttuose.

"Per la ricerca potenziata della materia oscura, miglioreremo la nostra analisi utilizzando un set di dati circa 10 volte più grande che abbiamo già su disco, "Ha detto Lee. "Abbiamo anche in programma di cercare canali di scattering elastico e ci aspettiamo che una ricerca aggiornata esplori ampi spazi di parametri che non sono stati ancora cercati in nessun altro esperimento".

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