Von unterirdischen Detektoren bis zu kosmischen Geheimnissen: Erforschung der Wechselwirkungen zwischen dunkler Materie und Nukleonen

In einer neuen Studie berichten Wissenschaftler über Ergebnisse des PandaX-4T-Experiments, das mithilfe von Niedrigenergiedaten und des Migdal-Effekts strenge Grenzwerte für die Wechselwirkungen zwischen Dunkler Materie und Nukleon festlegt und einen erheblichen Parameterraum für ein thermisches Reliktmodell der Dunklen Materie ausschließt.

Dunkle Materie ist eines der großen Geheimnisse der Wissenschaft, das sich der direkten Entdeckung entzieht und sich traditionellen Modellen widersetzt. Es ist so geheimnisvoll, dass wir nicht einmal wissen, was Teilchen der Dunklen Materie sind und welche Masse sie haben.

Dies liegt daran, dass Teilchen der Dunklen Materie nicht mit Licht interagieren und daher nicht erkennbar sind. Die Hauptkandidaten für Teilchen der Dunklen Materie sind Axionen und schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs).

In den Tiefen des China Jinping Underground Laboratory steht das PandaX-4T-Experiment als Leuchtturm auf der Suche nach der Lösung der Geheimnisse der Dunklen Materie. Das experimentelle Programm nutzt „Xenon-Detektoren“, um dunkle Materie zu erforschen, Neutrinos zu untersuchen und neue Physik zu untersuchen, beispielsweise den neutrinolosen doppelten Betazerfall.

Jetzt haben Wissenschaftler Fortschritte bei der Suche nach Wechselwirkungen zwischen dunkler Materie und Nukleonen mithilfe des PandaX-4T gemeldet. Die Ergebnisse werden veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Das PandaX-4T-Experiment und der Migdal-Effekt

Das Herzstück des PandaX-4T-Experiments ist eine hochmoderne Zweiphasen-Xenon-Zeitprojektionskammer (TPC), die beachtliche 3,7 Tonnen flüssiges Xenon in einem sensiblen Volumen beherbergt. Diese hochentwickelte Kammer dient als primäre Arena für Teilcheninteraktionen.

Co-Autor Dr. Ran Huo vom Shandong Institute of Advanced Technology erklärte: „Bei heller dunkler Materie ist die maximale Energie, die die dunkle Materie auf die Xenonkerne übertragen kann, proportional zur Masse der dunklen Materie im Quadrat.“

„Wenn die Masse der Dunklen Materie unter mehreren GeV liegt, hat die Rückstoßenergie aufgrund der Kollision der Dunklen Materie mit den Xenonkernen fast keine Chance, die Energieschwelle des Detektors zu überschreiten.“

Das PandaX-4T-Experiment nutzt den Migdal-Effekt, um diese Herausforderung zu meistern, indem es die Empfindlichkeit des Experiments erhöht, insbesondere gegenüber Teilchen aus dunkler Materie mit geringer Masse unter 3 GeV, und so die Wechselwirkungen zwischen dunkler Materie und Nukleonen untersuchen soll.

Der Migdal-Effekt beinhaltet die potenzielle Ionisierung oder Anregung von Elektronen in den Atomen, die das Material (in diesem Fall Xenon) bilden, durch das dunkle Materie hindurchgeht. Die Nukleonen (Protonen und Neutronen) in den Atomkernen erfahren Wechselwirkungen mit Teilchen der Dunklen Materie.

Diese Wechselwirkungen können zur Anregung oder Ionisierung von Elektronen in den umgebenden Atomen führen. Dadurch können diese Elektronen Energien über keV erreichen. Wenn diese energiereichen Elektronen flüssiges Xenon passieren, erzeugen sie nachweisbare Signale, die auf Elektronenrückstöße im Detektor hinweisen.

„Einfach ausgedrückt hilft uns der Migdal-Effekt, unsere Reichweite auf Massen der Dunklen Materie unter 3 GeV auszudehnen, um die Wechselwirkungen zwischen Dunkler Materie und Nukleonen zu untersuchen“, sagte Dr. Yong Yang, Co-Autor der Studie von der Shanghai Jiao Tong University.

Ein thermisches Modell der Dunklen Materie

In einem thermischen Dunkle-Materie-Modell geht man davon aus, dass sich die Teilchen der Dunklen Materie im thermischen Gleichgewicht mit der Ur-Partikelsuppe im frühen Universum befanden. Als sich das Universum ausdehnte und abkühlte, trennten sich diese Teilchen vom Thermalbad, wobei eine gewisse Häufigkeit erhalten blieb.

Dieser Prozess ähnelt einem Ausfrieren, bei dem die Teilchen der Dunklen Materie in ihrer beobachteten Häufigkeit einfrieren.

Das thermische Modell der dunklen Materie ist besonders attraktiv, da es einen natürlichen Mechanismus zur Erklärung der beobachteten Relikthäufigkeit dunkler Materie im Universum bietet. Die „Vernichtung“ oder der Zerfall dieser Teilchen im frühen Universum hätte die richtige Dichte dunkler Materie erzeugt, die wir heute beobachten.

Dieses Modell beinhaltet häufig die Berücksichtigung spezifischer Partikeltypen, beispielsweise schwach wechselwirkende massive Partikel (WIMPs) oder andere Kandidaten mit ähnlichen Eigenschaften.

„Unser Experiment war in erster Linie für WIMP-ähnliche Dunkle Materie konzipiert. In diesem Fall wird davon ausgegangen, dass der ‚Kraftvermittler‘ (Teilchen, das für die Übertragung der Kraft zwischen Dunkler Materie und gewöhnlicher Materie verantwortlich ist) sehr schwer ist, sodass die Wechselwirkung extrem kurz ist.“ „entfernt“, bemerkte Dr. Yang.

Die Flexibilität des PandaX-4T-Modells hilft bei der Reproduktion der beobachteten Menge dunkler Materie durch die Vernichtung von Teilchen dunkler Materie in Standardmodellteilchen während des frühen Universums und zeigt einen vielfältigen Parameterraum.

Der gezielte Ansatz von PandaX-4T nutzte optimierte Niedrigenergiedaten, um strenge Beschränkungen für die Stärke der Wechselwirkung zwischen dunkler Materie und Nukleonen für dunkle Massen im Bereich von 0,03 bis 2 GeV festzulegen.

„Die neue Analyse testet direkt eine Art thermisches Dunkle-Materie-Modell – Paare dunkler Materie, die sich im frühen Universum über das dunkle Photon in gewöhnliche Materie vernichten – und eliminiert einen erheblichen Parameterraum, der zuvor als plausibel galt“, erklärte Dr. Huo.

Im Wesentlichen verfeinert die Studie unser Verständnis, indem sie die möglichen Szenarien für Wechselwirkungen mit dunkler Materie über das dunkle Photon, das als Vermittler fungiert, einschränkt.

Auf Entdeckungen aufbauen

Der Erfolg des Experiments bei der Untersuchung von Teilchen der Dunklen Materie im Bereich von 0,03 bis 2 GeV liefert wertvolle Erkenntnisse und verfeinert unser Verständnis eines thermischen Modells der Dunklen Materie.

Die Forscher zeigen zwei mögliche Wege für zukünftige Studien mit dem PandaX-4T auf.

„Wir wollen die Belichtung durch mehr Daten oder ein größeres Xenon-Target verbessern, um tiefere Wirkungsquerschnitte zwischen dunkler Materie und Nukleonen zu untersuchen.“

„Diese erweiterte Belichtung birgt das Potenzial, die Feinheiten des Hintergrunds im Niedrigenergiebereich aufzuklären, der hauptsächlich durch Kathodenelektroden und Mikroentladungsrauschen beeinflusst wird“, sagte Dr. Huo.

„Auf der anderen Seite weist unsere Studie keine Sensitivität für diese Wechselwirkung bei Dunkler Materie auf, die heller als 30 MeV ist, unterhalb dieser Grenze kann uns der Migdal-Effekt nicht mehr weiterhelfen. Das bedeutet, dass wir neue Nachweismethoden benötigen“, bestätigte Dr. Yang.

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