Negli ultimi decenni, astrofisici e cosmologi hanno raccolto varie osservazioni che suggeriscono l'esistenza della materia oscura (DM), un tipo di materia che non assorbe, riflettono o emettono luce, e quindi non può essere rilevato utilizzando tecniche convenzionali per l'osservazione della radiazione elettromagnetica. Mentre i fisici hanno previsto la sua esistenza sulla base di osservazioni astrofisiche e cosmologiche, finora, DM non è mai stato osservato sperimentalmente.

La finestra di massa più sensibile per esperimenti volti a rilevare direttamente DM con tecnologie convenzionali (cioè, ricerca di rinculo nucleari nei rivelatori) è O(10 ^-100 )GeV. Quando si tratta di luce DM, in particolare quello nella fascia sub-GeV, la dispersione del DM con i nuclei non può produrre un rinculo nucleare al di sopra della soglia alla quale sarebbe rilevato dalle tecnologie esistenti.

I ricercatori della Shanghai Jiao Tong University e del Purple Mountain Observatory dell'Accademia cinese delle scienze hanno cercato di identificare strategie che potrebbero aiutare a superare questa sfida e svelare segnali caratteristici del DM sub-GeV con un intervallo di sensibilità più ampio (cioè, sarebbe più facile da rilevare). Uno dei loro lavori più recenti, pubblicato in Lettere di revisione fisica , delinea un nuovo tipo di effetto diurno relativo al sub-GeV DM potenziato dai raggi cosmici. Questo effetto potrebbe potenzialmente consentire la rilevazione diretta di sub-GeV DM con rinculo nucleari.

"È stato sottolineato in letteratura che finché il DM può interagire con i nuclei, i nuclei energetici nello spazio (raggi cosmici) possono -accelerare alcune particelle DM a energia maggiore per superare la soglia di rilevamento, aprendo naturalmente la finestra a bassa massa, "Shao-Feng Ge e Qiang Yuan, due dei ricercatori che hanno condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Siamo andati oltre notando che sia il DM che i raggi cosmici hanno un'alta densità attorno al centro della galassia (GC)."

Nello scenario considerato da Ge, Yuan e i loro colleghi, le particelle DM accelerate proverrebbero principalmente dalla direzione del GC, che fornisce una caratteristica unica distinta dalla componente ordinaria del DM. Mentre le tecniche di rilevamento basate sull'analisi del rinculo nucleare non possono svelare da quale direzione proverrebbero le particelle DM, quando il GC si trova sul lato opposto della Terra da dove si trova il rivelatore, la Terra potrebbe oscurare una grande porzione di DM accelerato.

In altre parole, i ricercatori hanno scoperto che se le sezioni d'urto di dispersione dei nuclei DM sono sufficientemente grandi, il flusso di DM viene attenuato mentre si propaga attraverso la Terra. Questo porta ad una modulazione diurna naturale, che potrebbe servire come firma caratteristica del DM accelerato.

"L'effetto diurno convenzionale è solo per le particelle DM a movimento lento (non relativistiche) nella nostra galassia (il cosiddetto alone DM standard), " Dissero Ge e Yuan. "L'effetto è trascurabilmente piccolo sia per i vincoli sperimentali diretti, o a causa della soglia di rilevamento. Per particelle DM leggere, d'altra parte, l'interazione DM-nucleo è molto meno vincolata, che lascia spazio a una forte modulazione diurna."

Nella loro carta, i ricercatori mostrano che l'accelerazione dei raggi cosmici potrebbe consentire o facilitare il rilevamento di particelle DM. Inoltre, suggeriscono che il comportamento unico di modulazione diurna che hanno descritto è caratterizzato da un flusso di energia direzionale e più elevato.

"La firma di modulazione diurna proposta nel nostro studio potrebbe essere una pistola fumante del rilevamento della materia oscura potenziato dai raggi cosmici, mentre lo sfondo dominante da impurità radioattive non ha questa caratteristica, "Ning Zhou e Jianglai Liu, due ricercatori coinvolti nello studio, ha detto a Phys.org. "Anche lo spettro energetico del rinculo nucleare mostrerebbe una modulazione giornaliera, che potrebbe essere un ulteriore mezzo per sopprimere il potenziale sfondo".

Sorprendentemente, questo studio ha identificato una nuova firma associata al DM potenziato dai raggi cosmici. Nel futuro, questo gruppo di ricerca e altri team potrebbero analizzare i dati raccolti in passato, esperimenti DM sotterranei in corso e futuri, ricercando specificamente la firma unica di modulazione diurna evidenziata nel recente articolo.

"Ora incoraggeremo gli sperimentatori di tutto il mondo a eseguire un'attenta ricerca di questa firma nei loro dati, " Dissero Zhou e Ge. "Più sul lato teorico, nel nostro lavoro il modello dell'attenuazione terrestre è trattato con un modello semplificato, che intendiamo migliorare. Cercheremo anche di determinare se esiste una combinazione ideale di più esperimenti sotterranei che potrebbe ulteriormente significare il rilevamento".

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