Illustrazione della firma di modulazione diurna della materia oscura potenziata dai raggi cosmici. Credito:collaborazione Panda X-II.
I fisici di tutto il mondo stanno continuando la loro ricerca della materia oscura, un tipo sfuggente di materia che non assorbe, riflette o emette luce e si crede che costituisca la maggior parte della materia nell'universo. Un tipo di materia oscura che molti team hanno cercato in modo specifico è la materia oscura sub-GeV, particelle di materia oscura con masse inferiori a GeV (giga-elettronvolt).
La collaborazione PandaX-II, un grande team di ricercatori che lavorano in diversi istituti e università in Cina, ha recentemente condotto una ricerca di materia oscura potenziata dai raggi cosmici, utilizzando i dati raccolti dal rivelatore PandaX-II, situato presso la China Jinping Underground Laboratorio. I loro risultati, pubblicati in Physical Review Letters (PRL) , ampliare lo spazio dei parametri sondati per la materia oscura alle masse da 0,1 MeV a GeV.
"La materia oscura leggera, con una massa più piccola della massa del protone, di solito non è stata sondata nel rilevamento diretto poiché non può produrre un rinculo nucleare abbastanza grande da superare la soglia del rivelatore", hanno detto i ricercatori a Phys.org, via e-mail. "Fortunatamente, le particelle di materia oscura leggera nello spazio possono essere scalciate dai raggi cosmici per avere una velocità relativistica. Ciò consente loro di superare la soglia di rilevamento diretto, come sottolineato per la prima volta dai ricercatori Torsten Bringmann e Maxim Pospelov".
Nel loro recente studio, la collaborazione PandaX-II ha esaminato specificamente il segnale di modulazione diurna della materia oscura che è "potenziato" dai raggi cosmici. Per fare ciò, hanno analizzato i dati raccolti dal rivelatore PandaX-II nell'ultima prova dell'esperimento.
Le loro analisi si sono basate su uno dei loro precedenti documenti fenomenologici, pubblicato all'inizio del 2021 su PRL. In questo lavoro precedente, il team aveva notato, per la prima volta, che la materia oscura potenziata dai raggi cosmici proveniente principalmente dal nucleo della nostra galassia aveva una firma di modulazione unica.
"La materia oscura percorre una certa distanza all'interno della Terra prima di raggiungere il rivelatore, che varia drasticamente da 2 km a 13000 km, a seconda della rotazione terrestre", hanno affermato i ricercatori. "Maggiore è la distanza, maggiori saranno gli effetti di attenuazione."
Sulla base delle loro osservazioni, la collaborazione PandaX-II ha realizzato che una combinazione della distanza percorsa dalla materia oscura all'interno della Terra e dei suoi effetti di attenuazione ha portato a una modulazione diurna unica. Nel loro nuovo studio, hanno quindi deciso di cercare sperimentalmente questa modulazione diurna, analizzando i dati reali raccolti dall'esperimento PandaX-II.
"Abbiamo utilizzato i dati completi, per un totale di 100 tonnellate al giorno, raccolti dall'esperimento PandaX-II nel China Jinping Underground Laboratory", hanno spiegato i ricercatori. "Oltre al tempo siderale unico, abbiamo anche considerato la caratteristica distribuzione dell'energia di rinculo elevata degli eventi. Queste due caratteristiche distinte vengono utilizzate per sopprimere lo sfondo e migliorare la sensibilità del segnale".
In primo luogo, il team ha fatto una serie di considerazioni teoriche. Nello specifico, hanno considerato attentamente le distribuzioni della materia oscura e dei raggi cosmici nella nostra galassia, utilizzando una serie di modelli teorici.
"Abbiamo modellato la propagazione della materia oscura sulla Terra utilizzando un metodo di simulazione Monte Carlo completo, incluso un profilo dettagliato di Jinping Mountain", ha affermato la collaborazione PandaX-II. "Per evitare l'incertezza sistematica associata alla dispersione incoerente e anelastica attraverso la Terra, abbiamo impostato un limite di energia a 200 MeV, portando a un'esclusione conservativa e robusta."
Le recenti analisi condotte da questo team di ricercatori potrebbero contribuire in modo significativo alla ricerca della materia oscura sub-GeV. In effetti, i loro risultati estendono significativamente lo spazio dei parametri sondati per la materia oscura da 0,1 MeV a GeV, coprendo un tipo cruciale di interazioni materia oscura-nucleone che in precedenza era inaccessibile alle sonde astrofisiche e cosmologiche.
Utilizzando la stessa configurazione sperimentale e gli stessi set di dati impiegati nelle loro analisi precedenti, il team è riuscito a raccogliere ulteriori informazioni, estendendo in definitiva il "territorio" esplorato da esperimenti volti a rilevare direttamente la materia oscura. La collaborazione PandaX sta ora conducendo un nuovo esperimento, noto come esperimento PandaX-4T. Il team prevede di effettuare ulteriori analisi sui dati appena raccolti.
"Ci si aspetta che questo nuovo esperimento migliori l'esposizione di oltre un ordine di grandezza e riduca significativamente lo sfondo", hanno aggiunto i ricercatori. "Nei nostri prossimi studi, utilizzeremo i nuovi dati per migliorare ulteriormente la sensibilità del rilevamento della materia oscura alla luce mediante il meccanismo di potenziamento dei raggi cosmici. Cercheremo anche attivamente canali unici per utilizzare al massimo i nostri dati per cercare nuova fisica fenomeni in genere». + Esplora ulteriormente
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