Αναζητώντας σωμάτιο για τη σκοτεινή ύλη – Νέα ανάλυση στενεύει τους περιορισμούς για την ελαφρά σκοτεινή ύλη

Το πείραμα XENON1T, στο υπόγειο Εθνικό Εργαστήριο του Gran Sasso, στην Ιταλία, ερευνά για φωτεινές αναλαμπές που προκαλούνται από σωμάτια σκοτεινής ύλης που αντιδρούν με δυο τόνους υγρό ξένο. Το πείραμα σχεδιάστηκε για να εντοπίσει έναν υποθετικό τύπο σκοτεινής ύλης που αποκαλείται ασθενώς αλληλεπιδρών μαζικό σωμάτιο (WIMP), όμως οι ερευνητές έχουν αρχίσει να κοσκινίζουν τα δεδομένα για άλλες δυνατές μορφές. Με επανάληψη της ανάλυσης των αποτελεσμάτων από το 2017 και 2018, η ομάδα του (πειράματος) XENON1T έχει στενέψει τους περιορισμούς στις ιδιότητες των WIMPs και άλλων υποψηφίων για τη σκοτεινή ύλη. Παρόλο που δεν είναι σε θέση να αναγγείλουν κάποια ανίχνευση, οι ερευνητές απέκλεισαν υποψήφια σωμάτια με ένα εύρος παραμέτρων, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων υποθετικών – όμοιων με αξιόνια – σωμάτιων και σκοτεινών φωτονίων.

Οι ερευνητές ανάλυσαν ένα σύνολο σημάτων φωτονίων που παρήχθησαν από ηλεκτρόνια που απελευθερώθηκαν όταν άτομα ξένου χτύπησαν με εισερχόμενα σωμάτια. Τα φωτόνια αυτά εκπέμφθηκαν όταν τα ηλεκτρόνια, οδηγούμενα από ένα ηλεκτρικό πεδίο κατά μήκος του θαλάμου, μετακινήθηκαν στο αέριο ξένον στην κορυφή του πειράματος. Σε αντίθεση με τα φωτόνια που παρήχθησαν αμέσως μετά από τη σύγκρουση ενός μαζικού σωμάτιου με πυρήνα ξένου, η διαδικασία που δημιουργεί αυτά τα δευτερογενή φωτόνια είναι ευαίσθητη σε χαμηλής μάζας υποψηφίους σκοτεινής ύλης.

Για να προσδιορίσουν αν κάθε ανιχνευόμενο φωτόνιο υπήρχε λόγω των αλληλεπιδράσεων σκοτεινής ύλης, η ομάδα συνέκρινε τα δεδομένα της με ένα μοντέλο αναμενόμενων γεγονότων υποβάθρου που παράγονται από σωμάτια μη-σκοτεινής ύλης, όπως τα ηλιακά νετρίνα. Λόγω της καθαρότητας του ξένου του ανιχνευτή και ορισμένες τεχνολογικές αναβαθμίσεις, αυτό το σήμα υποβάθρου ήταν τουλάχιστον χίλιες φορές μικρότερο από αυτό παρόμοιων πειραμάτων. Ενώ μη σημαντικά γεγονότα φωτονίων αντιτίθενται στο μοντελοποιημένο υπόβαθρο, οι ερευνητές θα μπορούσαν να αποκλείσουν μια σειρά υποψηφίων σκοτεινής ύλης ειδικών μαζών. Προσβλέποντας τώρα στην επόμενη αναβάθμιση του πειράματος – στο XENONnT, προγραμμάτισαν να λειτουργήσουν από το 2020 με ακόμη λιγότερα γεγονότα υποβάθρου – για να αναγγείλουν τελικά μια ανίχνευση.