Físicos de todo el mundo continúan su búsqueda de materia oscura, un tipo de materia escurridiza que no absorbe, refleja ni emite luz y se cree que constituye la mayor parte de la materia del universo. Un tipo de materia oscura que muchos equipos han estado buscando específicamente es la materia oscura sub-GeV, partículas de materia oscura con masas por debajo de GeV (gigaelectronvoltio).

La colaboración PandaX-II, un gran equipo de investigadores que trabajan en diferentes institutos y universidades en China, llevó a cabo recientemente una búsqueda de materia oscura potenciada por rayos cósmicos, utilizando datos recopilados por el detector PandaX-II, ubicado en el metro de China Jinping. Laboratorio. Sus resultados, publicados en Physical Review Letters (PRL), amplían el espacio de parámetros probados para la materia oscura a masas de 0,1 MeV a GeV.

«La materia oscura clara, con una masa más pequeña que la masa del protón, generalmente no se sondeaba en la detección directa, ya que no puede producir un retroceso nuclear lo suficientemente grande como para exceder el umbral del detector», dijeron los investigadores a Phys.org, por correo electrónico. «Afortunadamente, las partículas ligeras de materia oscura en el espacio pueden ser expulsadas por los rayos cósmicos para tener una velocidad relativista. Esto les permite superar el umbral de detección directa, como lo señalaron por primera vez los investigadores Torsten Bringmann y Maxim Pospelov».

En su estudio reciente, la colaboración PandaX-II analizó específicamente la señal de modulación diurna de la materia oscura que es «impulsada» por los rayos cósmicos. Para ello, analizaron los datos recogidos por el detector PandaX-II en la última prueba del experimento.

Sus análisis se basaron en uno de sus artículos fenomenológicos anteriores, publicado a principios de 2021 en PRL. En este trabajo anterior, el equipo había notado, por primera vez, que la materia oscura impulsada por rayos cósmicos que se originaba principalmente en el núcleo de nuestra galaxia tenía una firma de modulación única.

«La materia oscura viaja una cierta distancia dentro de la Tierra antes de llegar al detector, que varía drásticamente de 2 km a 13 000 km, dependiendo de la rotación de la Tierra», dijeron los investigadores. «Cuanto mayor sea la distancia, más fuertes serán los efectos de atenuación».

Con base en sus observaciones, la colaboración PandaX-II se dio cuenta de que una combinación de la distancia que viajó la materia oscura dentro de la Tierra y sus efectos de atenuación condujo a una modulación diurna única. En su nuevo estudio, se propusieron buscar experimentalmente esta modulación diurna, analizando datos reales recopilados por el experimento PandaX-II.

«Utilizamos los datos completos, para un total de 100 toneladas por día, recopilados por el experimento PandaX-II en el Laboratorio Subterráneo de China Jinping», explicaron los investigadores. «Además del tiempo sideral único, también consideramos la característica distribución de energía de alto retroceso de los eventos. Estas dos características distintas se utilizan para suprimir el fondo y mejorar la sensibilidad de la señal».

Primero, el equipo hizo una serie de consideraciones teóricas. Específicamente, consideraron cuidadosamente las distribuciones de materia oscura y rayos cósmicos en nuestra galaxia, utilizando una serie de modelos teóricos.

«Modelamos la propagación de la materia oscura en la Tierra utilizando un método de simulación completo de Monte Carlo, incluido un perfil detallado de la montaña Jinping», dijo la colaboración PandaX-II. «Para evitar la incertidumbre sistemática asociada con la dispersión incoherente e inelástica a través de la Tierra, establecimos un límite de energía de 200 MeV, lo que lleva a una exclusión conservadora y sólida».

Los análisis recientes realizados por este equipo de investigadores podrían contribuir significativamente a la búsqueda de materia oscura sub-GeV. De hecho, sus resultados amplían significativamente el espacio de parámetros sondeados para la materia oscura de 0,1 MeV a GeV, cubriendo un tipo crucial de interacciones entre la materia oscura y el nucleón que antes era inaccesible para las sondas astrofísicas y cosmológicas.

Usando la misma configuración experimental y los mismos conjuntos de datos empleados en sus análisis anteriores, el equipo logró recopilar información adicional y, en última instancia, extendió el «territorio» explorado por los experimentos destinados a detectar directamente la materia oscura. La colaboración PandaX ahora está realizando un nuevo experimento, conocido como el experimento PandaX-4T. El equipo planea llevar a cabo más análisis sobre los datos recién recopilados.

«Se espera que este nuevo experimento mejore la exposición en más de un orden de magnitud y reduzca significativamente el fondo», agregaron los investigadores. «En nuestros próximos estudios, utilizaremos los nuevos datos para mejorar aún más la sensibilidad de la detección de materia oscura clara por medio del mecanismo de refuerzo de rayos cósmicos. También buscaremos activamente canales únicos para utilizar al máximo nuestros datos para buscar nueva física. fenómenos en general”.