Поиск усиленной космическими лучами sub-GeV темной материи с помощью данных эксперимента PandaX-II

Физики всего мира продолжают поиски темной материи - неуловимого типа материи, которая не поглощает, не отражает и не излучает свет и, как считается, составляет большую часть материи во Вселенной. Этот тип - sub-GeV (суб-ГэВ), с массой частиц менее ГэВ (гигаэлектронвольт).
Участники PandaX-II, большая группа исследователей, работающих в различных институтах и университетах Китая, недавно провела поиск темной материи, усиленной космическими лучами, используя данные, собранные детектором PandaX-II, расположенном в Китайской подземной лаборатории имени Цзиньпина. Их результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters (PRL), расширяют зондируемое пространство параметров темной материи до масс от 0,1 МэВ до ГэВ.
«Легкая темная материя, с массой меньше массы протона, обычно не исследовалась прямым детектированием, поскольку она не может произвести достаточно большую ядерную отдачу, чтобы превысить порог детектора», - сообщили исследователи. «К счастью, легкие частицы темной материи в космосе могут быть разогнаны космическими лучами до релятивистской скорости. Это позволяет им преодолеть порог прямого обнаружения, на что впервые указали исследователи Торстен Брингманн и Максим Поспелов».
В своем последнем исследовании объединение PandaX-II, в частности, рассматривала сигнал суточной модуляции темной материи, который «усиливается» космическими лучами. Для этого они проанализировали данные, собранные детектором PandaX-II в ходе последнего испытания.
Их анализ основывался на одной из предыдущих феноменологических работ, опубликованной в начале 2021 года в PRL. В этой работе команда впервые заметила, что темная материя, усиленная космическими лучами и исходящая в основном из ядра нашей галактики, имеет уникальную сигнатуру модуляции.
«Темная материя проходит определенное расстояние внутри Земли, прежде чем достичь детектора, это расстояние резко варьируется от 2 км до 13000 км, в зависимости от вращения Земли», - сказали исследователи. «Чем больше расстояние, тем сильнее эффект затухания».
Основываясь на своих наблюдениях, сотрудники PandaX-II поняли, что сочетание расстояния, которое темная материя проходит внутри Земли, и эффекта затухания приводит к уникальной суточной модуляции. В своем новом исследовании они задались целью экспериментально найти эту суточную модуляцию, анализируя реальные данные, собранные в ходе эксперимента PandaX-II.
«Мы использовали данные, объём которых, в общей сложности, составляет 100 тонн за день, собранные в ходе эксперимента с PandaX-II в Китайской подземной лаборатории Цзиньпин», - пояснили исследователи. «В дополнение к уникальному звездному времени мы также рассмотрели характерное распределение энергии высокой отдачи событий. Эти две отличительные особенности используются для подавления фона и улучшения чувствительности сигнала».
Сначала команда провела ряд теоретических расчетов. В частности, они тщательно рассмотрели распределение темной материи и космических лучей в нашей галактике, используя ряд теоретических моделей.
«Мы смоделировали распространение темной материи в Земле, используя полный метод симуляции Монте-Карло, включая подробный профиль горы Цзиньпин», - говорится в сообщении объединения PandaX-II. «Чтобы избежать систематической неопределенности, связанной с некогерентным и неупругим рассеиванием через Землю, мы установили энергетическую отсечку на уровне 200 МэВ, что привело к стабильному и надежному исключению».
Последние исследования, проведенные группой учёных, могут внести значительный вклад в поиск sub-GeV темной материи. Фактически, их результаты значительно расширяют пространство параметров для темной материи от 0,1 МэВ до ГэВ, охватывая важнейший тип взаимодействий темной материи с нуклонами, который ранее был недоступен для астрофизических и космологических исследований.
Используя ту же экспериментальную установку и наборы данных, которые применялись в предыдущих экспериментах, команде удалось получить дополнительные сведения, что в конечном итоге расширило «территорию» изучения для обнаружение темной материи. В настоящее время PandaX проводит новый эксперимент, известный как PandaX-4T. Команда планирует провести дальнейший анализ вновь собранных данных.
«Ожидается, что этот новый эксперимент улучшит экспозицию более чем на порядок и значительно уменьшит фон», - добавили исследователи. «В наших будущих исследованиях мы будем использовать новые данные для углублённого изучения чувствительности к свету темной материи с помощью механизма усиления космического излучения. Мы также будем активно искать уникальные каналы для максимального использования наших данных для поиска явлений новой физики в целом.»....