Busca materia oscura en una bóveda en Neutrino Alley

Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge intentaron observar la materia oscura en un corredor del sótano brillantemente iluminado utilizando la sensibilidad de sus detectores de neutrinos. El callejón de neutrinos, donde trabaja el equipo, se encuentra debajo de la fuente de neutrones por espalación, un poderoso acelerador de partículas. Después de años de cálculos teóricos, el equipo de COHERENT se dispuso a observar la materia oscura, que se cree que constituye hasta el 85 % de la masa del universo. El experimento permitió al equipo ampliar la búsqueda global de materia oscura de una nueva manera, y planean recibir un detector más grande y más sensible para mejorar sus posibilidades de capturar partículas de materia oscura.

Pocas cosas tienen el mismo aura de misterio que la materia oscura. El nombre en sí irradia secreto, lo que sugiere algo oculto en las sombras del universo.

Convocó a un equipo colaborativo de científicos coherenteincluida Kate Schulberg, Profesora Distinguida de Física de las Artes y las Ciencias, Philip Barbeau, Profesor Asociado de Física, y el investigador postdoctoral Daniel Berchie, han tratado de sacar la materia oscura de las sombras del universo a un destino menos glamoroso: un lugar brillantemente iluminado. , estrecho pasillo del sótano.

Sin embargo, no es una bodega ordinaria. Trabajando en un área del Laboratorio Nacional de Oak Ridge apodada Neutrino Alley, el equipo generalmente se enfoca en partículas subatómicas llamadas neutrinos. Se producen cuando las estrellas mueren y se convierten en supernovas, o en un nivel más cercano a la Tierra, como subproducto de la colisión de protones en los aceleradores de partículas.

La materia oscura, la sustancia invisible que constituye el 85 % de la materia del universo, no está escondida muy lejos entre las galaxias. Un equipo de científicos está tratando de sacarla de las sombras. Crédito: Rayos X: NASA/CXO/Fabian et al. ; Radio: Gendron-Marsolais et al. ; NRAO/AUI/NSF Óptico: NASA, SDSS

No es coincidencia que Neutrino Alley esté ubicado directamente debajo de uno de los aceleradores de partículas más potentes del mundo, el de Oak Ridge. Fuente de neutrones por espalación (SNS). Neutrino Alley alberga una colección de detectores diseñados específicamente para monitorear neutrinos a medida que pasan y chocan con ellos.

Sin embargo, los neutrinos no son el único subproducto de los procesos del SNS. La materia oscura (que no debe confundirse con la antimateria favorita del villano) también se produce cuando los aceleradores de partículas chocan los protones. Después de años de cálculos teóricos, el equipo de COHERENT se dispuso a aprovechar el poder de SNS y la sensibilidad de sus detectores de neutrinos para monitorear la materia oscura en Neutrino Alley.

«Y no hemos visto eso», dice Schulberg. “Por supuesto, si lo hubiéramos visto, hubiera sido más emocionante, pero no verlo es en realidad un gran problema”.

Explicó que el hecho de que sus detectores de neutrinos no hayan detectado la materia oscura le permite mejorar los modelos teóricos de cómo se ve la materia oscura.

«Sabemos exactamente cómo respondería un detector de materia oscura si la materia oscura tuviera ciertas propiedades, por lo que estábamos buscando esa firma específica».

Kate Schulberg, coautor Grayson Rich y Philip Barbeau. Crédito: Long Li/Universidad de Duke

La huella digital en cuestión es la forma en que los núcleos de los átomos en el detector de neutrinos rebotan cuando golpean un neutrino, o en este caso, una partícula de materia oscura.

«Es como lanzar proyectiles a una bola de boliche sobre un trozo de hielo», dijo Berchie. Las bolas de boliche, en su analogía, son los átomos en el detector de neutrinos, que en este experimento era un cristal de yoduro de cesio de 14,6 kg. «Puedes decir mucho sobre la honda y la fuerza que lanzas por lo alto que rebota la bola de boliche al contacto».

Cuando se trata de materia oscura, cualquier información es buena información. Nadie sabe lo que realmente es. Hace casi 100 años, los físicos se dieron cuenta de que el universo no podría comportarse de la forma en que lo hizo si todo lo que contenía fueran cosas que pudiéramos ver.

“Estamos nadando en un mar de materia oscura”, dijo Jason Newby, jefe del Grupo de Investigación de Neutrinos en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y coautor del estudio. El consenso de los físicos es que la materia oscura constituye el 85% de la masa del universo. Debe estar sujeto a la gravedad para explicar el comportamiento del universo, pero no interactúa con ningún tipo de luz u ondas electromagnéticas y aparece oscuro.

Jason Newby y el coautor Yuri Efremenko llevan el detector de neutrinos de yoduro de cesio de 14,6 kg muy pequeño que se utiliza para buscar materia oscura en Neutrino Alley. Crédito: Genevieve Martin/Laboratorio Nacional de Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.

«Aprendimos esto al observar las grandes galaxias que se orbitan entre sí, y vimos que giran mucho más rápido de lo que deberían, lo que implica que tienen más masa de la que parecen», dijo Birchi. «Así que sabemos que hay cosas adicionales por ahí, solo necesitamos saber dónde buscarlas».

«Aunque la mayoría de las veces no obtenemos resultados, es muy importante que busques en todas partes y luego puedas descartar una gran cantidad de posibilidades y enfocarte en una nueva área con estrategia en lugar de simplemente usar los ‘espaguetis en la pared'». enfoque», dijo Newby.

Daniel Berchi. Crédito: Universidad de Duke

“Estamos ampliando nuestro alcance a cualquier modelo que pueda existir para la materia oscura, y eso es muy poderoso”, dijo Schulberg.

Y el logro no se detiene allí, señala: el experimento también permitió al equipo ampliar la búsqueda global de materia oscura de una nueva manera.

«La técnica de detección típica es pasar a la clandestinidad, construir un detector muy sensible y esperar a que pasen las partículas de materia oscura», dijo Berchi.

¿el problema? Las partículas de materia oscura pueden estar viajando silenciosamente por el aire. Si además es muy ligero, es posible que no llegue al detector con suficiente potencia para crear una huella digital detectable.

La configuración experimental del equipo de COHERENT aborda este problema.

«Cuando entras en el acelerador, produce esas partículas a una energía significativamente mayor», dijo Berchi. Esto les da mucho gravedad para golpear los núcleos y mostrar la señal de materia oscura. «

¿Y ahora qué? No es del todo volver a la mesa de dibujo. Actualmente, Neutrino Alley se está preparando para recibir un detector más grande y más sensible que, junto con los criterios de búsqueda refinados de COHERENT, mejorará en gran medida las posibilidades de atrapar una de estas partículas demoníacas.

«Estamos en el umbral de donde debe estar la materia oscura», dijo Birchi.

Referencia: «Primera sonda de materia oscura Sub-GeV más allá de las predicciones cosmológicas utilizando el detector COHERENT CsI en el SNS» por D. Akimov et al. 3 de febrero de 2023 Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.051803