En un nuevo estudio, los científicos informan sobre los resultados del experimento PandaX-4T, que establece límites estrictos a las interacciones materia oscura-nucleón utilizando datos de baja energía y el efecto Migdal, descartando un espacio de parámetros significativo para un modelo de materia oscura reliquia térmica.
La materia oscura es uno de los grandes misterios de la ciencia, ya que elude la detección directa y desafía los modelos tradicionales. Está tan envuelto en misterio que ni siquiera sabemos qué son las partículas de materia oscura y cuál es su masa.
Esto se debe a que las partículas de materia oscura no interactúan con la luz, lo que las hace imposibles de detectar. Los principales candidatos para las partículas de materia oscura son los axiones y las partículas masivas que interactúan débilmente (WIMP).
En las profundidades del laboratorio subterráneo de China Jinping, el experimento PandaX-4T se erige como un faro en la búsqueda para desentrañar los misterios de la materia oscura. El programa experimental emplea «detectores de xenón» para explorar la materia oscura, estudiar neutrinos e investigar nueva física, como la desintegración beta doble sin neutrinos.
Ahora, los científicos han informado de avances en la búsqueda de interacciones entre la materia oscura y el nucleón utilizando el PandaX-4T. Los hallazgos se publican en Physical Review Letters.
El experimento PandaX-4T y el efecto Migdal
En el corazón del experimento PandaX-4T se encuentra una cámara de proyección temporal (TPC) de xenón de doble fase de última generación que alberga 3,7 toneladas de xenón líquido dentro de un volumen sensible. Esta sofisticada cámara sirve como escenario principal para las interacciones de partículas.
El coautor Dr. Ran Huo del Instituto de Tecnología Avanzada de Shandong explicó: «Para la materia oscura ligera, la energía máxima que la materia oscura puede transferir a los núcleos de xenón es proporcional a la masa de la materia oscura al cuadrado».
«Cuando la masa de materia oscura es inferior a varios GeV, la energía de retroceso debida a la colisión de la materia oscura con los núcleos de xenón casi no tiene posibilidades de superar el umbral de energía del detector».
El experimento PandaX-4T aprovecha el efecto Migdal para superar este desafío mejorando la sensibilidad del experimento, particularmente a partículas de materia oscura de baja masa por debajo de 3 GeV, en un intento de investigar las interacciones materia oscura-nucleón.
El efecto Migdal implica la ionización o excitación potencial de los electrones de los átomos, que forman el material (en este caso, xenón) a través del cual pasa la materia oscura. Los nucleones (protones y neutrones) dentro de los núcleos atómicos experimentan interacciones con partículas de materia oscura.
Estas interacciones pueden conducir a la excitación o ionización de electrones en los átomos circundantes. Como resultado, estos electrones pueden adquirir energías superiores a keV. Cuando estos electrones energizados pasan a través del xenón líquido, generan señales detectables que indican retrocesos de electrones en el detector.
«En pocas palabras, el efecto Migdal nos ayuda a ampliar nuestro alcance de masas de materia oscura por debajo de 3 GeV para investigar las interacciones materia oscura-nucleón», dijo el Dr. Yong Yang, coautor del estudio de la Universidad Jiao Tong de Shanghai.
Un modelo térmico de materia oscura
En un modelo térmico de materia oscura, se supone que las partículas de materia oscura estuvieron en equilibrio térmico con la sopa primordial de partículas en el universo primitivo. A medida que el universo se expandió y enfrió, estas partículas se desacoplaron del baño termal conservando cierta abundancia.
Este proceso es similar a una congelación, donde las partículas de materia oscura se congelan en su abundancia observada.
El modelo térmico de materia oscura es particularmente atractivo porque proporciona un mecanismo natural para explicar la abundancia observada de materia oscura reliquia en el universo. La «aniquilación» o desintegración de estas partículas en el universo primitivo habría producido la densidad correcta de materia oscura que observamos hoy.
Este modelo a menudo implica la consideración de tipos específicos de partículas, como partículas masivas que interactúan débilmente (WIMP) u otros candidatos con propiedades similares.
«Nuestro experimento fue diseñado principalmente para materia oscura similar a WIMP, en cuyo caso se supone que el ‘mediador de fuerza’ (partícula responsable de transmitir la fuerza entre la materia oscura y la materia ordinaria) es muy pesado, por lo que la interacción es extremadamente corta. rango», señaló el Dr. Yang.
La flexibilidad del modelo PandaX-4T ayuda a reproducir la cantidad observada de materia oscura mediante la aniquilación de partículas de materia oscura en partículas modelo estándar durante el universo temprano, mostrando un espacio de parámetros diverso.
El enfoque específico de PandaX-4T utilizó datos optimizados de baja energía para establecer restricciones estrictas en la fuerza de interacción materia oscura-nucleón para masas oscuras que oscilan entre 0,03 y 2 GeV.
«El nuevo análisis prueba directamente una especie de modelo térmico de materia oscura (pares de materia oscura que se aniquilan en materia ordinaria a través del fotón oscuro en el universo primitivo) y elimina un espacio de parámetros sustancial que antes se consideraba plausible», explicó el Dr. Huo.
Esencialmente, el estudio refina nuestra comprensión al restringir los escenarios potenciales para las interacciones de la materia oscura a través del fotón oscuro, que es el mediador.
Aprovechando los descubrimientos
El éxito del experimento al examinar partículas de materia oscura dentro del rango de 0,03 a 2 GeV ofrece información valiosa que refina nuestra comprensión de un modelo térmico de materia oscura.
Los investigadores destacan dos posibles vías para futuros estudios con el PandaX-4T.
«Nuestro objetivo es mejorar la exposición, a través de mayores datos o un objetivo de xenón más grande, para profundizar en secciones transversales inferiores de interacción materia oscura-nucleón».
«Esta exposición ampliada tiene el potencial de dilucidar las complejidades del fondo en el dominio de baja energía, predominantemente influenciado por electrodos catódicos y ruido de microdescarga», dijo el Dr. Huo.
«Por otro lado, nuestro estudio no tiene sensibilidad para esta interacción en materia oscura con un peso inferior a 30 MeV, por debajo del cual el efecto Migdal ya no puede ayudarnos. Esto significa que necesitamos nuevos métodos de detección», reconoció el Dr. Yang.
Con información de Physical Review Letters
