Ga op zoek naar donkere materie in een kluis in Neutrino Alley

Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory probeerden donkere materie te observeren in een helder verlichte keldergang met behulp van de gevoeligheid van hun neutrinodetectoren. Neutrino Alley, waar het team aan het werk is, bevindt zich onder de Spallation Neutron Source, een krachtige deeltjesversneller. Na jaren van theoretische berekeningen ging het COHERENT-team op zoek naar donkere materie, waarvan wordt aangenomen dat deze 85% van de massa van het universum uitmaakt. Dankzij het experiment kon het team de wereldwijde zoektocht naar donkere materie op een nieuwe manier verbreden, en ze zijn van plan een grotere, gevoeligere detector te ontvangen om hun kansen op het vangen van donkere materiedeeltjes te vergroten.

Er zijn maar weinig dingen die dezelfde mysterieuze uitstraling hebben als donkere materie. De naam zelf straalt geheimzinnigheid uit en suggereert iets verborgen in de schaduwen van het universum.

Een samenwerkend team van wetenschappers genoemd samenhangendwaaronder Kate Schulberg, Distinguished Professor of Physics of Arts and Sciences, Philip Barbeau, Associate Professor of Physics, en postdoctoraal onderzoeker Daniel Berchie, hebben geprobeerd donkere materie uit de schaduwen van het universum naar een minder glamoureuze bestemming te brengen: een helder verlichte , krappe keldergang.

Maar geen gewone kelder. Het team werkt in een gebied van Oak Ridge National Laboratory met de bijnaam Neutrino Alley en richt zich meestal op subatomaire deeltjes die neutrino’s worden genoemd. Ze worden geproduceerd wanneer sterren sterven en supernova worden, of op een niveau dichter bij de aarde, als bijproduct van botsende protonen in deeltjesversnellers.

Donkere materie, het onzichtbare spul dat 85% van de materie van het universum uitmaakt, is niet ver verborgen tussen sterrenstelsels. Een team van wetenschappers probeert haar uit de schaduw te halen. Krediet: Röntgenfoto’s: NASA/CXO/Fabian et al. ; Radio: Gendron-Marsolais et al. ; NRAO/AUI/NSF Optisch: NASA, SDSS

Niet toevallig bevindt Neutrino Alley zich direct onder een van ’s werelds krachtigste deeltjesversnellers, Oak Ridge’s. Spallatie neutronenbron (SNS). Neutrino Alley herbergt een verzameling detectoren die speciaal zijn ontworpen om neutrino’s te volgen terwijl ze passeren en ermee in botsing komen.

Neutrino’s zijn echter niet het enige bijproduct van SNS-processen. Donkere materie (niet te verwarren met de favoriete antimaterie van de schurk) wordt ook geproduceerd wanneer deeltjesversnellers protonen tegen elkaar slaan. Na jaren van theoretische berekeningen ging het COHERENT-team op zoek naar de kracht van SNS en de gevoeligheid van hun neutrinodetectoren om donkere materie in Neutrino Alley te monitoren.

“En dat hebben we niet gezien”, zegt Schulberg. “Natuurlijk, als we het hadden gezien, zou het spannender zijn geweest, maar het niet zien is eigenlijk een groot probleem.”

Ze legde uit dat het feit dat donkere materie niet is gedetecteerd door haar neutrinodetectoren haar in staat stelt theoretische modellen te verbeteren van hoe donkere materie eruit ziet.

“We weten precies hoe een detector van donkere materie zou reageren als de donkere materie bepaalde eigenschappen zou hebben, dus we waren op zoek naar die specifieke signatuur.”

Kate Schulberg, co-auteur Grayson Rich en Philip Barbeau. Credits: Long Li/Duke University

De vingerafdruk in kwestie is de manier waarop de kernen van de atomen in de neutrinodetector terugkaatsen wanneer ze een neutrino raken, of in dit geval een deeltje van donkere materie.

“Het is alsof je projectielen gooit naar een bowlingbal op een stuk ijs,” zei Berchie. Bowlingballen, in zijn analogie, zijn de atomen in de neutrinodetector – die in dit experiment een cesiumjodidekristal van 14,6 kg was. “Je kunt veel vertellen over de slinger en de kracht die je gooit door hoe hoog de bowlingbal stuitert bij contact.”

Als het om donkere materie gaat, is alle informatie goede informatie. Niemand weet wat het werkelijk is. Bijna 100 jaar geleden realiseerden natuurkundigen zich dat het universum zich niet zou kunnen gedragen zoals het deed als alles wat het bevatte de dingen waren die we konden zien.

“We zwemmen in een zee van donkere materie”, zegt Jason Newby, hoofd van de Neutrino Research Group van het Oak Ridge National Laboratory en co-auteur van de studie. De consensus van natuurkundigen is dat donkere materie 85% van de massa van het universum uitmaakt. Het moet onderhevig zijn aan zwaartekracht om het gedrag van het universum te verklaren, maar het heeft geen interactie met enige vorm van licht of elektromagnetische golven en lijkt donker.

Jason Newby en co-auteur Yuri Efremenko dragen de zeer kleine cesiumjodide-neutrinodetector van 14,6 kg die wordt gebruikt om naar donkere materie te zoeken in Neutrino Alley. Credits: Genevieve Martin/Oak Ridge National Laboratory, US Department of Energy

“We hebben dit geleerd door naar grote sterrenstelsels te kijken die om elkaar heen draaien, en we zagen dat ze veel sneller roteren dan zou moeten, wat impliceert dat ze meer massa hebben dan ze lijken te zijn,” zei Birchi. “Dus we weten dat er meer dingen zijn, we moeten alleen weten waar we ze moeten zoeken.”

“Ook al boeken we meestal geen resultaten, het is echt belangrijk dat je overal kijkt en dan een heel aantal mogelijkheden kunt uitsluiten en je met strategie op een nieuw gebied kunt concentreren in plaats van alleen de ‘spaghetti aan de muur’ te gebruiken. ‘benadering’, zei Newby.

Daniël Berchi. Bron: Duke University

“We breiden ons bereik uit naar alle mogelijke modellen voor donkere materie, en dat is erg krachtig”, zei Schulberg.

En de prestatie houdt daar niet op, merkt ze op: het experiment stelde het team ook in staat om de wereldwijde zoektocht naar donkere materie op een nieuwe manier te verbreden.

“De typische detectietechniek is om ondergronds te gaan, een zeer gevoelige detector te bouwen en te wachten tot de donkere materiedeeltjes voorbij komen”, zei Berchi.

het probleem? Donkere materiedeeltjes kunnen stilletjes door de lucht reizen. Als het ook erg licht is, bereikt het de detector mogelijk niet met voldoende vermogen om een ​​detecteerbare vingerafdruk te maken.

De experimentele opstelling van het COHERENT-team lost dit probleem op.

“Als je de versneller ingaat, produceer je die deeltjes met een aanzienlijk hogere energie”, zei Berchi. Dit levert hen veel op zwaartekracht om de kernen te raken en het signaal van donkere materie te laten zien. “

Dus wat nu? Het is nog niet helemaal terug naar de tekentafel. Neutrino Alley bereidt zich momenteel voor om een ​​grotere, gevoeligere detector te ontvangen, die, samen met de verfijnde zoekcriteria van COHERENT, de kansen om een ​​van deze demondeeltjes te vangen aanzienlijk zal vergroten.

“We staan ​​op de drempel van waar donkere materie moet zijn,” zei Birchi.

Referentie: “Eerste Sub-GeV-sonde voor donkere materie voorbij kosmologische voorspellingen met behulp van de COHERENT CsI-detector in de SNS” door D. Akimov et al. 3 februari 2023 Fysieke beoordelingsbrieven.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.051803