Skip to content
Home » Potentieel signaal van donkere materie maakt plaats voor nieuwe limieten

Potentieel signaal van donkere materie maakt plaats voor nieuwe limieten

    Potentieel signaal van donkere materie maakt plaats voor nieuwe limieten

    ? natuurkunde 15, 159

    Resultaten van twee toonaangevende zoekopdrachten naar donkere materie sluiten een raadselachtig signaal uit dat in 2020 werd gedetecteerd en stellen nieuwe beperkingen aan kandidaten voor donkere materiedeeltjes die uit lichte fermionen bestaan.

    Er is overweldigend bewijs dat donkere materie het grootste deel van de materie in het heelal uitmaakt – onderzoekers hebben zelfs de verspreiding ervan op kosmische schalen in kaart gebracht door te observeren hoe het de beelden van verre sterrenstelsels uitrekt. Maar we weten nog steeds niet wat donkere materie is. Deze onopgeloste puzzel wordt aangepakt door directe detectie-experimenten die record na record blijven breken met hun gevoeligheden voor zwakke deeltjesinteracties. Vandaag publiceren twee toonaangevende zoektochten naar donkere materie – het XENON-experiment onder het Gran Sasso-massief in Italië en het PandaX-experiment in het China Jinping Underground Laboratory, ‘s werelds diepste laboratorium – analyses van hun laatste runs.

    Wat melden? groot denken XENON, een van de beste “nulresultaten” in de geschiedenis genoemd, laat zien dat een prikkelend signaal dat in 2020 werd gerapporteerd, te wijten was aan achtergrondruis in plaats van aan nieuwe fysica en stelt strenge limieten in voor verschillende soorten donkere materie die waren ingeroepen om een ​​dergelijk signaal te verklaren [1]. De PandaX-samenwerking voerde een vergelijkbare meting uit en detecteerde ook geen gebeurtenissen over de verwachte achtergrond [2]. De samenwerking gebruikte het nulresultaat om de strengste beperkingen tot nu toe af te leiden van eigenschappen van een type donkere materie, lichte fermionische donkere materie genaamd.

    Schets van een op xenon gebaseerd experiment voor detectie van donkere materie. Fotovermenigvuldigers aan de boven- en onderkant van een tank gevuld met vloeibaar xenon zoeken naar fotonen en elektronen die vrijkomen wanneer een donkere-materiedeeltje atomen of elektronen in het detectorvolume raakt.

    Experimenten zoals XENON en PandaX gebruiken enorme tanks met gezuiverd vloeibaar xenon, op zoek naar vrije elektronen en fotonen die worden geproduceerd wanneer een deeltje van donkere materie een deeltje in de detector raakt, waardoor een atoomkern of een elektron terugdeinst. Beide experimenten hebben hun gevoeligheid achtereenvolgens verhoogd door de hoeveelheid xenon in de tank te vergroten, met huidige iteraties van XENON (XENONnT) en PandaX (PandaX-4T) die respectievelijk ongeveer 6 en 4 ton vloeibaar xenon gebruiken. De gevoeligheidsboost is ook afhankelijk van enorme inspanningen om achtergrondruis te minimaliseren die op een signaal zou kunnen lijken. In de experimenten van vandaag zijn de dominante achtergronden afkomstig van sporen van radioactieve isotopen in de opstelling of in de omgeving.

    Zowel XENON als PandaX zijn voornamelijk gericht op de zoektocht naar de belangrijkste kandidaat voor donkere materie – het zwak interagerende massieve deeltje (WIMP) – waarvan de massa meer dan 10 GeV/c zou moeten bedragen2. Van WIMP’s wordt verwacht dat ze zich voornamelijk van atoomkernen verspreiden en een karakteristiek nucleair terugslagsignaal produceren. Wetenschappers van donkere materie kunnen echter zoeken naar andere signalen, zoals elektronenterugslag, die afkomstig kunnen zijn van niet-WIMP donkere materie (zie Feature: WIMP-alternatieven komen uit de schaduw).

    In juni 2020 leverde XENON1T, de kleinere voorganger van XENONnT, een opvallend resultaat: meer elektronenterugslaggebeurtenissen dan verwacht op basis van bekende achtergronden (zie Gezichtspunt: Dark Matter Detector Levert Enigmatic Signal). De resultaten leidden tot een stortvloed aan theoretische onderzoeken om te onderzoeken of nieuwe deeltjes – waaronder niet-standaard neutrino’s, lichte bosonische donkere materiedeeltjes en zonne-axionen – het overtollige signaal zouden kunnen verklaren. XENON-onderzoekers erkennen echter onzekerheden over de impact van de achtergrond door tritiumisotopen. Slechts een handvol tritiumatomen per kilogram xenon zou het waargenomen signaal kunnen verklaren.

    J.Ye/Columbia University

    Vergelijking van de XENON1T- en XENONnT-signalen. XENON1T registreerde meer elektronenterugslaggebeurtenissen dan verwacht op basis van bekende achtergronden (roze lijn) bij weinig keV-energieën. XENONnT, met een veel lagere achtergrond (rode lijn), vindt zo’n overmaat niet.

    XENONnT heeft nu opmerkelijk verbeterde gegevens opgeleverd die geen overmatig signaal laten zien. De verbetering is vooral te danken aan de verdrievoudiging van het xenonvolume en aan verschillende achtergrondverminderende maatregelen. In het bijzonder verminderden de onderzoekers de kans om tritium in het experiment te introduceren door de detector voorafgaand aan de run te ontgassen en door het vloeibare xenon door eenheden te leiden die waterstof (en zijn isotopen, inclusief tritium) verwijderen.

    Jingqiang Ye van Columbia University, coördinator gegevensanalyse voor de XENON-samenwerking, zegt dat de resultaten van XENONnT het idee dat XENON1T mogelijk donkere materie heeft opgemerkt, hebben laten verdwijnen. “We zullen nooit zeker weten wat de XENON1T-excess veroorzaakte, maar we weten nu dat het geen nieuwe natuurkunde is”, zegt hij.

    De PandaX-4T Collaboration onderzocht elektronenterugslagsignalen in hetzelfde energiebereik als XENONnT. Het team vond ook geen hints van overmatige gebeurtenissen, hoewel het experiment een veel grotere achtergrond heeft bij de energieën van het XENON1T-overschot (meestal als gevolg van overgebleven tritium dat is geïntroduceerd in de opstelling voor kalibratie, dat het team geleidelijk verwijdert). De onderzoekers hebben hun gegevens echter doorzocht op specifieke handtekeningen van een fermionische donkere materie-deeltje met een massa tussen 10 en 180 keV/c2. De zoektocht naar dit type lichte donkere materie werd gemotiveerd door recent theoretisch werk dat suggereert dat deze deeltjes door elektronen zouden kunnen worden geabsorbeerd, waardoor waarneembare signalen worden geproduceerd in experimenten met directe detectie.

    J.Ye/Columbia University

    Vergelijking van de elektronenterugslagsignalen gemeten door de verschillende op xenon gebaseerde zoekopdrachten: PandaX-4T, LZ, XENON1T en XENONnT – de koploper in deze vergelijking. De gearceerde gebieden geven geschatte achtergronden voor elk experiment aan.

    PandaX vond dergelijke signalen niet en gebruikte de niet-detectie om grenzen te stellen aan de sterkte van de koppeling tussen lichte fermionische donkere materie en elektronen. De analyse was gericht op donkere materie waarvan de interacties met elektronen worden beschreven door bepaalde operators (vector- en axiale-vectoroperators genoemd). “We hebben voor deze interacties gekozen omdat ze heel losjes worden beperkt door astrofysische en kosmologische waarnemingen”, zegt Dan Zhang van de Universiteit van Maryland, College Park. Door deze keuze kon de samenwerking de strengste grenzen stellen aan de sterke punten van deze interacties, zegt ze. (In een afzonderlijke studie zocht PandaX naar een gerelateerd signaal van lichte fermionische donkere materie die interageert met atoomkernen; zie Synopsis: An Absorbing Dark Matter Experiment.)

    Het feit dat onderzoekers het XENON1T-overschotsignaal zo snel konden testen en uitsluiten, is een succes van de wetenschappelijke methode, zegt Hugh Lippincott van de University of California, Santa Barbara, woordvoerder van LUX-ZEPLIN (LZ), een 7-tons Xenon-gebaseerd experiment met donkere materie in de Sanford Underground Research Facility in South Dakota, die zojuist resultaten heeft vrijgegeven van zijn eerste WIMP-zoekopdracht. Met voortdurende verbeteringen in de komende jaren, zullen XENON, PandaX en LZ “graven in een geheel nieuw gebied van de parameterruimte [for dark matter],” hij zegt. En een verdere opschaling is in de maak: XENON- en LZ-onderzoekers zijn onlangs overeengekomen om hun krachten te bundelen om een ​​grotere detector te bouwen.

    Lippincott voegt eraan toe dat “met zoveel xenon in een zeer stille ruimte”, onderzoekers naast donkere materie veel interessante dingen konden bestuderen, waaronder neutrino’s en uiterst zeldzame processen. XENON1T heeft dergelijke mogelijkheden al aangetoond door het meten van een elektronenvangstproces waarvan de levensduur de leeftijd van het heelal vele ordes van grootte overschrijdt. Ye is het ermee eens dat de ultragevoelige detectoren dingen kunnen “zien” die anders zijn dan die waarvoor ze zijn gebouwd om te detecteren. Hij zegt, een citaat van natuurkundige Freeman Dyson, dat nieuwe richtingen in de wetenschap vaker worden gelanceerd door nieuwe hulpmiddelen dan door nieuwe concepten.

    -Matteo Rini

    Matteo Rini is de redacteur van Natuurkunde tijdschrift.

    Referenties

    1. E Aprile et al. (XENON-samenwerking), “Zoeken naar nieuwe fysica in elektronische terugslaggegevens van XENONnT”, natuurkunde ds. Lett. 129161805 (2022).
    2. D Zhang et al. (PandaX-samenwerking), “Zoeken naar absorptie van lichte fermionische donkere materie op elektronen in PandaX-4T”, natuurkunde ds. Lett. 129161804 (2022).

    recente artikelen

    Een absorberend experiment met donkere materie
    Kernfysica

    Een absorberend experiment met donkere materie

    Onderzoekers hebben de eerste gegevens geanalyseerd van een nieuw experiment met directe detectie door absorptie voor een weinig bestudeerde vorm van donkere materie die bekend staat als fermionische donkere materie. Lees verder “

    Ruimtevaartuigcrash vertraagt ​​baan van asteroïde met 32 ​​minuten
    Een ferromagneet die gemakkelijk spins afwerpt
    Magnetisme

    Een ferromagneet die gemakkelijk spins afwerpt

    Onderzoekers demonstreren spinoverdracht bij kamertemperatuur over een interface tussen een op ijzer gebaseerde ferromagneet en een halfgeleider, waardoor een route wordt geopend naar het creëren van nieuwe spintronische apparaten. Lees verder “

    Meer artikelen