Num novo estudo, os cientistas relatam os resultados da experiência PandaX-4T, estabelecendo limites rigorosos nas interações matéria escura-núcleon usando dados de baixa energia e o efeito Migdal, descartando um espaço de parâmetros significativo para um modelo de relíquia térmica de matéria escura.

A matéria escura é um dos grandes mistérios da ciência, escapando à detecção direta e desafiando os modelos tradicionais. Está tão envolto em mistério que nem sabemos o que são as partículas de matéria escura e qual é a sua massa.

Isso ocorre porque as partículas de matéria escura não interagem com a luz, tornando-as impossíveis de serem detectadas. Os principais candidatos para partículas de matéria escura são áxions e partículas massivas de interação fraca (WIMPs).

Nas profundezas do Laboratório Subterrâneo China Jinping, a experiência PandaX-4T constitui um farol na busca para desvendar os mistérios da matéria escura. O programa experimental emprega 'detectores de xenônio' para explorar a matéria escura, estudar neutrinos e investigar novas físicas, como o decaimento beta duplo sem neutrinos.

Agora, os cientistas relataram progresso na busca por interações entre matéria escura e núcleon usando o PandaX-4T. As descobertas foram publicadas na Physical Review Letters .

No centro do experimento PandaX-4T está uma câmara de projeção temporal (TPC) de xenônio bifásica de última geração que abriga substanciais 3,7 toneladas de xenônio líquido em um volume sensível. Esta câmara sofisticada serve como arena primária para interações de partículas.

O coautor, Dr. Ran Huo, do Instituto de Tecnologia Avançada de Shandong, explicou: "Para a matéria escura clara, a energia máxima que a matéria escura pode transferir para os núcleos de xenônio é proporcional à massa da matéria escura ao quadrado."

"Quando a massa da matéria escura está abaixo de vários GeV, a energia de recuo devido à colisão da matéria escura com os núcleos de xenônio quase não tem chance de exceder o limite de energia do detector."

A experiência PandaX-4T aproveita o efeito Migdal para superar este desafio, melhorando a sensibilidade da experiência, particularmente para partículas de matéria escura de baixa massa abaixo de 3 GeV, numa tentativa de sondar as interações entre matéria escura e núcleon.

O efeito Migdal envolve a ionização ou excitação potencial dos elétrons nos átomos, constituindo o material (neste caso, o xenônio) por onde passa a matéria escura. Os núcleons (prótons e nêutrons) dentro dos núcleos atômicos experimentam interações com partículas de matéria escura.

Essas interações podem levar à excitação ou ionização de elétrons nos átomos circundantes. Como resultado, esses elétrons podem adquirir energias acima de keV. Quando esses elétrons energizados passam pelo xenônio líquido, eles geram sinais detectáveis ??indicativos de recuo de elétrons no detector.

"Simplesmente falando, o efeito Migdal ajuda-nos a alargar o nosso alcance às massas de matéria escura abaixo de 3 GeV para investigar as interações matéria escura-núcleon," disse o Dr. Yong Yang, coautor do estudo da Universidade Jiao Tong de Xangai.

Num modelo térmico de matéria escura, presume-se que as partículas de matéria escura estiveram em equilíbrio térmico com a sopa primordial de partículas do universo primitivo . À medida que o universo se expandia e esfriava, essas partículas se desacoplaram do banho termal, preservando uma certa abundância.

Este processo é semelhante a um congelamento, onde as partículas de matéria escura congelam na sua abundância observada.

O modelo térmico da matéria escura é particularmente atraente porque fornece um mecanismo natural para explicar a abundância relíquia observada de matéria escura no universo. A “aniquilação” ou decadência destas partículas no Universo primitivo teria produzido a densidade correta de matéria escura que observamos hoje.

Este modelo frequentemente envolve a consideração de tipos específicos de partículas, como partículas massivas de interação fraca (WIMPs) ou outros candidatos com propriedades semelhantes.

"Nosso experimento foi projetado principalmente para matéria escura do tipo WIMP, caso em que o 'mediador de força' (partícula responsável por transmitir a força entre a matéria escura e a matéria comum ) é considerado muito pesado, então a interação é extremamente curta. variado", observou o Dr. Yang.

A flexibilidade do modelo PandaX-4T ajuda a reproduzir a quantidade observada de matéria escura através da aniquilação de partículas de matéria escura em partículas do modelo padrão durante o início do universo, apresentando um espaço de parâmetros diversificado.

A abordagem direcionada do PandaX-4T utilizou dados otimizados de baixa energia para definir restrições estritas na força da interação matéria escura-núcleon para massas escuras variando de 0,03 a 2 GeV.

“A nova análise testa diretamente um tipo de modelo térmico de matéria escura – pares de matéria escura aniquilando-se em matéria comum através do fóton escuro no universo primitivo – e elimina espaço de parâmetros substanciais que anteriormente era considerado plausível”, explicou o Dr.

Essencialmente, o estudo refina a nossa compreensão ao restringir os cenários potenciais para interações da matéria escura através do fóton escuro, que é o mediador.

O sucesso do experimento no escrutínio de partículas de matéria escura na faixa de 0,03 a 2 GeV oferece informações valiosas, refinando nossa compreensão de um modelo térmico de matéria escura.

Os pesquisadores destacam dois caminhos possíveis para estudos futuros com o PandaX-4T.

"Nosso objetivo é aumentar a exposição, por meio do aumento de dados ou de um alvo de xenônio maior, para nos aprofundarmos nas seções transversais de interação entre matéria escura e núcleon."

"Esta exposição expandida tem o potencial de elucidar os meandros do fundo no domínio de baixa energia, predominantemente influenciado por eletrodos catódicos e ruído de microdescarga", disse o Dr.

"Por outro lado, o nosso estudo não tem sensibilidade para esta interação para a matéria escura mais leve que 30 MeV, abaixo da qual o efeito Migdal não nos pode ajudar mais. Isto significa que precisamos de novos métodos de deteção," reconheceu o Dr.