Disegno schematico del futuro esperimento CDEX-100. Credito:lei et al.
Le precedenti osservazioni cosmologiche e astrofisiche suggeriscono che oltre un quarto della densità energetica dell'universo è costituito da un tipo di materia non convenzionale nota come materia oscura. Si ritiene che questo tipo di materia sia composto da particelle che non assorbono, emettono o riflettono la luce, e quindi non possono essere osservati direttamente utilizzando metodi di rilevamento convenzionali.
I ricercatori di tutto il mondo hanno condotto studi volti a rilevare la materia oscura nell'universo, Eppure così lontano, nessuno di loro ha avuto successo. Anche il candidato preferito per la materia oscura, particelle massive debolmente interagenti (WIMP), non sono ancora stati osservati sperimentalmente.
La collaborazione China Dark Matter Experiment (CDEX), un grande team di ricercatori della Tsinghua University e di altre università in Cina, ha recentemente condotto una ricerca per un diverso possibile candidato di materia oscura noto come fotone oscuro. Mentre la ricerca non ha avuto successo, la loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , identifica nuovi vincoli su un parametro del fotone oscuro che potrebbe informare studi futuri.
"Il fotone oscuro, un'ipotetica particella invisibile, è un attraente candidato per la materia oscura, che potrebbe anche essere un nuovo mediatore di interazione tra materia oscura e materia normale, "Qian Yue, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Lo studio e il rilevamento della materia oscura possono contribuire all'estensione del modello standard (SM) della fisica delle particelle e ampliare la nostra conoscenza dell'universo".
La collaborazione CDEX sta conducendo da tempo ricerche sulla materia oscura leggera, utilizzando un rilevatore di germanio a contatto puntuale di tipo p da 10 kg installato presso il laboratorio sotterraneo China Jinping (CJPL). CJPL è la struttura di ricerca sotterranea più profonda al mondo, con una copertura rocciosa di 2400 metri.
Disegno schematico del setup sperimentale CDEX-10 con stringa di rivelatori. Credito:lei et al.
Il rivelatore utilizzato dai ricercatori è costituito da tre stringhe di rivelatori al germanio a triplo elemento, circondato da 20 cm di spessore, purezza elevata, rame privo di ossigeno, che funge da scudo passivo contro la radioattività ambientale. Questo strumento è immerso direttamente in azoto liquido per mantenere temperature relativamente fresche.
"I fotoni oscuri possono essere rilevati sperimentalmente attraverso il loro assorbimento e conversione in elettroni nei rivelatori al germanio in un processo analogo all'effetto fotoelettrico dei fotoni SM, " spiegò Yue. "Intense sorgenti di fotoni, per esempio., il Sole, fornire una piattaforma eccellente per cercare fotoni scuri. A una gamma di 100 eV, la soglia di bassa energia dei rivelatori al germanio a contatto puntiforme è particolarmente adatta per lo studio dei fotoni oscuri."
Nel loro recente articolo, Yue e i suoi colleghi hanno analizzato i dati raccolti utilizzando il rilevatore al CJPL tra febbraio 2017 e agosto 2018, alla ricerca di fotoni oscuri solari e fotoni oscuri, due candidati per la materia oscura. Sebbene i ricercatori non siano stati in grado di osservare segnali che indicassero uno di questi candidati, sono riusciti a impostare dei vincoli sull'effettivo parametro di miscelazione cinetica tra fotoni oscuri e fotoni SM.
"Come candidato attraente per la materia oscura e un nuovo possibile mediatore di interazione tra materia oscura e materia normale, il fotone oscuro è attraente per ulteriori sforzi teorici e sperimentali, " Yue ha detto. "Il nostro lavoro ha sondato un nuovo spazio dei parametri e fissato i limiti più rigorosi sui fotoni scuri solari tra gli esperimenti di rilevamento diretto".
Il recente studio condotto da Yue e dai suoi colleghi fornisce alcuni nuovi preziosi feedback che potrebbero informare le future ricerche sulla materia oscura, in particolare per i fotoni oscuri. Inoltre, il loro lavoro rafforza l'attuale interesse mondiale nell'esplorazione di altri candidati alla materia oscura, andando oltre le WIMP e il loro canale di rilevamento dello scattering elastico con il nucleo.
"Per far avanzare ulteriormente la ricerca della materia oscura leggera, reinstalleremo l'array di rivelatori CDEX-10 in un nuovo, crio-serbatoio di azoto liquido più grande con un volume di circa 1700 m 3 presso la Hall-C del nuovo laboratorio CJPL-II nei prossimi due anni, dove la schermatura dalla radioattività ambientale è fornita dall'azoto liquido di 6 metri di spessore, " disse Yue. "Rivelatori aggiuntivi al germanio, fino a circa 100 kg, sono pianificati per l'implementazione nel crio-serbatoio con uno sfondo ridotto e una maggiore efficienza di rilevamento".
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