Equipes de astrofísicos em todo o mundo estão tentando observar diferentes tipos possíveis de matéria escura (DM), matéria hipotética no universo que não emite, absorve ou reflete luz e, portanto, seria muito difícil de detectar. O DM fermiônico, no entanto, que seria feito de férmions, até agora tem sido principalmente explorado teoricamente.
A PandaX Collaboration, um grande consórcio de pesquisadores na China envolvidos no experimento PandaX-4T, realizou recentemente um estudo destinado a estender a janela de massa sensível para experimentos destinados a detectar diretamente DM fermiônico de acima de GeV a MeV ou mesmo keV.
A equipe publicou recentemente dois artigos na Physical Review Letters descrevendo os resultados das duas pesquisas para a absorção de DM fermiônico usando dados coletados como parte do experimento Panda X-4T, um esforço de pesquisa em larga escala destinado a detectar DM usando um sistema dual- câmara de projeção de tempo de fase (TPC) na China.
“Com um DM maciço convertido em um neutrino sem massa, a massa DM é absorvida e convertida na energia cinética do neutrino e, mais importante, no elétron recuado ou alvos nucleares”, disse Shao-Feng Ge, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse Phys.org.
“Com a conversão eficiente de massa em energia, de acordo com a relação de Einstein E = mc2, mesmo keV (MeV) DM pode depositar uma energia de recuo grande o suficiente no elétron de recuo (núcleos).”
A ideia de observar DM fermiônico leve detectando a energia de recuo resultante da absorção de sua massa surgiu há alguns anos e desde então tem sido explorada por diferentes grupos de físicos teóricos. Embora esses estudos oferecessem previsões teóricas valiosas, essas previsões até agora nunca haviam sido testadas experimentalmente.
“Papéis fenomenológicos anteriores estabeleceram as características básicas deste canal único para pesquisas de DM r fermiônicos”, explicou o Prof. Ge. “A colaboração PandaX trabalhou duro para procurar primeiro os sinais previstos usando dados reais.”
Estudos teóricos prevêem que em reações de absorção nuclear, a massa de DM é convertida em energia cinética que carrega o neutrino e o núcleo de saída. Essa energia, conhecida como “energia de recuo nuclear”, deve ser aproximadamente proporcional ao quadrado da massa DM, resultando em um espectro monoenergético único. Em seu primeiro estudo, a colaboração PandaX-4T tentou detectar a energia resultante da absorção de DM fermiônico pelos núcleos.
“Esse espectro monoenergético é dramaticamente diferente do espectro de espalhamento elástico tradicional e não foi pesquisado com dedicação antes no experimento de detecção direta de DM”, disse o Dr. Yi Tao, outro pesquisador envolvido no estudo, ao Phys.org. “Como parte desta pesquisa do PandaX-4T, realizamos estudos dedicados à reconstrução da energia de recuo nuclear e, em seguida, comparamos os dados de simulação e calibração de nêutrons.”
Os pesquisadores descobriram que havia uma boa consistência entre os dados coletados por sua câmara de projeção de tempo de fase dupla (TPC) e seu modelo teórico de resposta do detector. Mais especificamente, a região do sinal que eles escanearam correspondeu à energia de recuo nuclear de até 100 keV, que cobre o parâmetro de massa DM de 30 MeV/c2 a 125 MeV/c2.
De maneira semelhante aos processos de absorção nuclear, os processos de absorção eletrônica também são sensíveis à luz DM, mas em uma faixa de massa diferente. De fato, os processos de absorção eletrônica implicam a conversão da massa estática de uma hipotética partícula fermiônica de DM em energia cinética de elétrons, criando um elétron livre.
Teoricamente, o DM fermiônico deveria então induzir sinais eletrônicos de recuo em detectores de xenônio líquido que poderiam ser detectados experimentalmente. Em seu segundo estudo, a colaboração PandaX-4T procurou este outro traço potencial de DM fermiônico.
Os elétrons são muito mais leves que os núcleos e, portanto, mais fáceis de serem ejetados durante os processos de absorção. Portanto, pesquisas eletrônicas de absorção podem ser sensíveis à faixa de massa sub-MeV.
“Além disso, ao contrário dos sinais de recuo nuclear, onde um pouco de energia é extinta em calor e não pode ser detectada em um detector de xenônio líquido, a maior parte da energia de recuo eletrônico é detectável”, Dr. Dan Zhang, outro pesquisador que realizou o estudo , disse Phys.org.
“Para modelos teóricos mais detalhados, diferentes operadores hipotéticos de seis dimensões no processo de quatro férmions (DM fermiônico + elétron -> elétron + neutrino) foram estudados com uma abordagem efetiva de teoria de campo. de operadores nos experimentos de detecção direta, mas as interpretações sobre os acoplamentos são bastante diferentes, e a comparação com outras observações cosmológicas e astrofísicas também são diferentes.”
A busca por DM fermiônico sub-MeV absorvido por elétrons realizada pelo Dr. Zhang e o resto da colaboração PandaX-4T não levou à detecção de quaisquer sinais significativos sobre o fundo esperado. No entanto, a equipe foi capaz de definir os limites mais fortes nas interações vetoriais e axiais para DMs com uma massa de várias dezenas de keV/c2, que superam as restrições de astronomia e cosmologia existentes para tais DMs de férmions leves.
“Cerca de dois anos atrás, XENON1T relatou um excesso de baixa energia, que pode ser interpretado como uma absorção eletrônica de 60 keV/c2 DM fermiônico de acordo com estudos fenomenológicos”, disse o Dr. Zhang. “Esta possibilidade é agora desafiada pelos nossos dados.”
As pesquisas recentes realizadas pela colaboração PandaX-4T destacam o potencial da absorção nuclear e processos de absorção eletrônica como canais para a busca de massa leve DM. No futuro, eles podem inspirar outras colaborações astrofísicas em todo o mundo a realizar pesquisas semelhantes.
“Uma vez que qualquer excesso é observado, a energia do excesso indicaria a massa de DM”, disse o Prof. Ning Zhou, outro pesquisador envolvido no estudo, ao Phys.org. “Para este canal, obtivemos restrições independentes do modelo na seção transversal de espalhamento sub-GeV DM-nucleon e sondamos até a região de 10^-50 cm2 para 35 MeV/c2 DM massa, pela primeira vez. Além disso, nós estude um modelo completo de UV com mediador Z’, que reúne a restrição cosmológica, a restrição do colisor e nosso limite de detecção direta.”
Até agora, a colaboração Panda X-4T estabeleceu com sucesso novos limites para experimentos destinados a detectar diretamente DM fermiônico. Como seu experimento está em andamento e, portanto, ainda está coletando dados, a equipe em breve realizará pesquisas adicionais por DM leve e indescritível.
“Os dados que reportamos são equivalentes a expor um alvo de xenônio líquido de 600 kg por um ano à iluminação deste hipotético DM”, disse o Prof. Jianglai Liu, porta-voz da Colaboração PandaX, ao Phys.org. “Quando o PandaX-4T for concluído em 2025, prevemos uma exposição cumulativa de 10 vezes maior. Também esperamos obter uma compreensão mais precisa de nosso detector para os sinais de recuo nuclear e eletrônico por meio de calibrações completas e estamos animados para ver como o história se desenrola no futuro.”
Publicado em 15/11/2022 12h35
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