Nas últimas décadas, astrofísicos e cosmologistas reuniram várias observações que sugerem a existência de matéria escura (DM), um tipo de matéria que não absorve, reflete ou emite luz e, portanto, não pode ser detectada usando técnicas convencionais de observação da radiação eletromagnética. . Embora os físicos tenham previsto sua existência com base em observações astrofísicas e cosmológicas, até agora, o DM nunca foi observado experimentalmente.
A janela de massa mais sensível para experimentos destinados a detectar diretamente DM com tecnologias convencionais (ou seja, procurando por recuos nucleares em detectores) é O (10-100) GeV. Quando se trata de DM leve, particularmente aquele na faixa sub-GeV, o espalhamento de DM com núcleos não pode produzir um recuo nuclear acima do limite em que seria detectado pelas tecnologias existentes.
Pesquisadores da Shanghai Jiao Tong University e do Purple Mountain Observatory da Chinese Academy of Sciences têm tentado identificar estratégias que possam ajudar a superar esse desafio e revelar sinais característicos de DM sub-GeV com uma faixa de sensibilidade mais ampla (ou seja, que seria mais fácil de detectar). Um de seus artigos mais recentes, publicado na Physical Review Letters, delineia um novo tipo de efeito diurno relevante para sub-GeV DM impulsionado por raios cósmicos. Este efeito pode potencialmente permitir a detecção direta de sub-GeV DM com recuos nucleares.
“Foi apontado na literatura que, enquanto DM pode interagir com núcleos, os núcleos energéticos no espaço (raios cósmicos) podem -acelerar algumas partículas de DM para maior energia para superar o limiar de detecção, abrindo naturalmente a baixa massa janela “, disse Shao-Feng Ge e Qiang Yuan, dois dos pesquisadores que realizaram o estudo, Phys.org. “Fomos mais além ao notar que tanto o DM quanto os raios cósmicos têm alta densidade ao redor do centro da galáxia (GC).”
No cenário considerado por Ge, Yuan e seus colegas, partículas de DM aceleradas viriam principalmente da direção do GC, que fornece uma característica única distinta do componente comum de DM. Embora as técnicas de detecção baseadas na análise de recuo nuclear não possam revelar de que direção as partículas de DM estariam vindo, quando o GC está localizado no lado oposto da Terra de onde o detector está, a Terra pode sombrear uma grande parte do DM acelerado.
Em outras palavras, os pesquisadores descobriram que, se as seções transversais de espalhamento dos núcleos DM forem suficientemente grandes, o fluxo de DM é atenuado à medida que se propaga pela Terra. Isso leva a uma modulação diurna natural, que poderia servir como uma assinatura característica do DM acelerado.
“O efeito diurno convencional é apenas para partículas de DM de movimento lento (não relativístico) em nossa galáxia (o chamado halo DM padrão)”, disseram Ge e Yuan. “O efeito é insignificante devido às restrições experimentais diretas ou devido ao limite de detecção. Para partículas de DM leves, por outro lado, a interação DM-núcleo é muito menos restrita, o que deixa espaço para uma forte modulação diurna.”
Em seu artigo, os pesquisadores mostram que a aceleração dos raios cósmicos pode permitir ou facilitar a detecção de partículas de DM. Além disso, eles sugerem que o comportamento único da modulação diurna que eles descreveram é caracterizado por um fluxo direcional e de maior energia.
“A assinatura de modulação diurna proposta em nosso estudo pode ser uma arma fumegante de detecção de matéria escura impulsionada por raios cósmicos, enquanto o fundo dominante de impurezas radioativas não tem essa característica”, disseram Ning Zhou e Jianglai Liu, dois pesquisadores envolvidos no estudo Phys.org. “O espectro de energia de recuo nuclear também exibiria uma modulação diária, o que poderia ser mais um meio de suprimir o fundo potencial.”
Notavelmente, este estudo identificou uma nova assinatura associada ao DM potencializado por raios cósmicos. No futuro, este grupo de pesquisa e outras equipes podem analisar dados coletados em experimentos de DM subterrâneos passados, em andamento e futuros, procurando especificamente pela assinatura de modulação diurna única destacada no artigo recente.
“Vamos agora encorajar os pesquisadores em todo o mundo a realizar uma busca cuidadosa por essa assinatura em seus dados”, disseram Zhou e Ge. “Mais do lado teórico, em nosso artigo o modelo de atenuação da Terra é tratado com um modelo simplificado, que planejamos melhorar. Também tentaremos determinar se existe uma combinação ideal de vários experimentos subterrâneos que poderiam significar ainda mais o detecção.”
Publicado em 30/03/2021 12h39
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