Nuevo análisis de datos establece límites de detección más estrictos para la materia oscura        

 

Por Kimberly Hickok, Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC.

28 de julio de 2023.

 

Una colisión de cúmulos de galaxias, que muestra la separación de la materia oscura (sombreada en azul) de la materia normal (sombreada en rosa). Crédito: NASA.

 

Durante casi un siglo, la materia oscura ha seguido evadiendo la detección directa, empujando a los científicos a idear métodos de búsqueda aún más creativos. Sin embargo, los experimentos de detección cada vez más sensibles son una tarea importante, lo que significa que los científicos quieren asegurarse de que analizan los datos de estos experimentos de la manera más completa y sólida posible.

 

Con eso en mente, la colaboración Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS) ha publicado un nuevo análisis de datos experimentales publicados anteriormente. Su estudio, publicado recientemente en Physical Review D, describe la búsqueda del equipo de materia oscura a través de dos procesos llamados radiación Bremsstrahlung y el efecto Migdal.

 

En un análisis único en su tipo, el equipo también trabajó con geólogos para considerar cómo la atmósfera y la composición interna de la Tierra interactúan con las partículas de materia oscura para hacer que su energía se disipe. El análisis representa uno de los límites más estrictos en la detección de materia oscura hasta el momento y prepara el escenario para futuras búsquedas de materia oscura.

 

"Mientras buscamos materia oscura, necesitamos ampliar las sensibilidades de detección", dijo Noah Kurinksy, científico del personal de SLAC y autor correspondiente del estudio. "Tener mejores formas de modelar estos procesos y comprender este tipo de medidas es muy importante para la comunidad de la materia oscura".

 

Dispersión invisible.

 

En un experimento como SuperCDMS, los físicos buscan señales de que la materia oscura ha chocado con los núcleos atómicos — los protones y los neutrones — dentro de un material como el silicio y el germanio.

 

Por lo general, la suposición es que cuando una partícula de materia oscura golpea un núcleo, la colisión es elástica: cualquier energía que pierde la partícula de materia oscura se transfiere al movimiento del núcleo, de modo que ambas partículas retroceden. "Tu típico ejemplo de dispersión de bolas de billar", explicó Kurinsky.

 

Sin embargo, en los últimos años, los investigadores han propuesto que la materia oscura puede detectarse a través de colisiones inelásticas, en las que la energía de la colisión se transfiere a otra cosa que posiblemente sea más fácil de detectar, como fotones o electrones. Esto podría conducir a capacidades de detección más sensibles para los experimentos de detección de materia oscura.

 

Teniendo en cuenta que el experimento SuperCDMS ya es uno de los detectores de materia oscura más sensibles de su tipo, "queríamos saber cuál era la probabilidad de que veamos este tipo particular de señal en los datos SuperCDMS", dijo Daniel Jardin, coautor del nuevo estudio y un becario postdoctoral en la Universidad Northwestern que ayudó a dirigir el análisis.

 

El equipo se centró en dos vías potenciales para que se produzcan colisiones inelásticas: la radiación Bremsstrahlung y el efecto Migdal.

 

Bremsstrahlung es un fenómeno bien conocido y previamente observado causado por la desaceleración de una partícula cargada; la palabra en alemán significa "radiación de frenado". En un detector de materia oscura, esto podría suceder cuando una partícula de materia oscura choca con un núcleo, que luego transfiere parte de su energía a un fotón en lugar de simplemente retroceder. Si se detecta, ese fotón sugeriría que alguna partícula misteriosa y de rápido movimiento, tal vez materia oscura, se estrelló contra el núcleo y envió el fotón volando.

 

Otro posible modo de colisión inelástica es a través del efecto Migdal. Aunque aún no se ha demostrado experimentalmente, la idea es que cuando una partícula de materia oscura golpea un núcleo, ese núcleo queda fuera del centro de su nube de electrones. Después de un período de tiempo muy corto, la nube de electrones se reajusta alrededor del núcleo, expulsando electrones que los investigadores pudieron detectar. En los últimos años, los científicos han calculado cómo se vería esa señal si ocurriera dentro de los detectores de materia oscura.

 

Reanalizar los datos teniendo en cuenta los procesos inelásticos no reveló evidencia de materia oscura, dijo Jardin, pero "cada uno de estos análisis extendió los límites existentes del experimento a masas más bajas". Un análisis de datos previo de SuperCDMS descartó partículas de materia oscura con masas tan bajas como la del protón. Teniendo en cuenta Bremsstrahlung, el experimento ahora puede descartar masas de partículas de materia oscura hasta aproximadamente una quinta parte de la masa del protón, e incluso masas más bajas cuando se considera el hipotético efecto Migdal.

 

Cuando la Tierra se interpone en el camino.

 

Pero los investigadores no se detuvieron ahí. "Queríamos innovar más allá de tomar estas ideas y aplicarlas a nuestros datos", dijo Jardin. "Entonces, agregamos otras cosas que nadie más ha estado haciendo".

 

Jardin y sus colegas no solo ampliaron los límites más bajos de detección para las interacciones de la materia oscura, sino que también consideraron el límite superior. "Los investigadores en el campo ahora se están dando cuenta de que si la materia oscura interactúa con la fuerza suficiente, podría interactuar con la atmósfera y la Tierra en su camino hacia el detector, que se encuentra a gran profundidad. En esa interacción, en realidad hay un límite superior en el que estarías bloqueada por la Tierra misma", dijo Jardin.

 

En particular, cuanto más interactúa la materia oscura con otros tipos de materia en su camino hacia el detector, más energía pierde. En algún momento, una partícula de materia oscura podría perder tanta energía que, cuando llegue al detector, ya no podrá generar una señal detectable.

 

Para calcular el límite de energía para las partículas de materia oscura que llegan al experimento SuperCDMS, los investigadores modelaron cómo las densidades de la atmósfera y las capas internas de la Tierra podrían afectar una partícula de materia oscura que atraviesa nuestro planeta hasta el detector. El equipo trabajó con geólogos que determinaron la composición exacta del suelo y la roca que rodea al detector en la mina Soudan en Minnesota.

 

Con esta información, el equipo podría establecer límites superiores para la fuerza de interacción de la materia oscura dependiendo de dónde provendría la partícula, ya sea directamente sobre el detector o del otro lado de la Tierra.

 

Después de analizar los datos de SuperCDMS con los nuevos modelos establecidos por los efectos Bremsstrahlung y Migdal y los nuevos límites superiores, el equipo pudo ampliar el rango de masas de partículas a las que el experimento era sensible, pero no encontró evidencia de interacciones con la materia oscura. No obstante, el análisis representa una de las búsquedas más sensibles de materia oscura ultraligera y ayudó a los investigadores a obtener más información a partir de los datos existentes.

 

"Ponemos mucho en este experimento, por lo que queremos aprovecharlo al máximo que podamos", dijo Jardin. "Realmente no conocemos la masa de la materia oscura, y no sabemos cómo interactúa con la materia. Solo estamos acercándonos a la oscuridad, lo mejor que podemos".

 

Fuente:

https://phys.org/news/2023-07-analysis-supercdms-tighter-limits-dark.html