(a) Production de BDM relativiste χ1 dans le centre galactique par l'annihilation de la matière noire plus lourde χ0. (b) Illustration d'impacts multi-sites d'une interaction inélastique de BDM pour le cas de deux interactions se produisant dans deux détecteurs NaI(Tl) et à scintillateur liquide (LS) différents. (c) Illustration d'impacts radio-induits par Bremsstrahlung sur deux détecteurs NaI(Tl) ou LS. Crédit :Ha et al.
Une équipe de chercheurs en République de Corée, les Etats Unis., Brésil, L'Indonésie et le Royaume-Uni ont récemment effectué une recherche directe de matière noire inélastique stimulée (IBDM) à l'aide d'un détecteur terrestre. Leur étude, Publié dans Lettres d'examen physique ( PRL ), est le premier à rechercher expérimentalement l'IBDM à l'aide d'un détecteur terrestre.
Les observations recueillies par les études astrophysiques passées suggèrent que la composante dominante de la matière de l'univers n'est pas la matière ordinaire, mais la matière noire non baryonique. Les chercheurs ont fait d'énormes efforts pour rechercher la matière noire par détection directe, expériences de détection indirecte et collisionneur, pourtant jusqu'ici, leurs tentatives ont été infructueuses.
Ce manque de succès les a encouragés à rechercher des types alternatifs de matière noire, tels que les modèles de masse lumineuse ou la matière noire relativiste boostée (BDM), qui auraient des signatures sensiblement différentes dans les détecteurs. Précisément parce que ces nouveaux types de matière noire produiraient des signatures non conventionnelles, très peu d'entre eux ont fait l'objet d'expériences traditionnelles sur la matière noire.
"Même si les scientifiques ont constamment recherché la matière noire WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) au cours des dernières décennies, aucun signal clair n'a encore été observé, " Hyun Su Lee, chercheur à l'Institut des sciences fondamentales de Daejeon, Corée, qui a réalisé la récente étude, dit Phys.org. "Cela a motivé les chercheurs d'autres types de matière noire, qui peuvent donner des signaux sensiblement différents dans le détecteur. Une idée est la recherche de matière noire à plusieurs composants. Dans ce cas, chaque composant de matière noire est probablement de la matière noire WIMP, mais il a une masse différente."
À l'intérieur du détecteur COSINE-100. Crédit :Ha et al.
Il y a quelques années, des chercheurs de l'Université du Maryland et du MIT ont présenté un nouveau modèle qui décrit une particule de matière noire relativiste stimulée par l'annihilation des participes de matière noire plus lourds dans le centre galactique ou le soleil. Selon leur modèle, cela nécessiterait au moins deux espèces de particules de matière noire, comprenant une matière noire à plusieurs composants.
Les candidats à la matière noire avec une masse plus lourde peuvent se désintégrer en matière noire légère. Comme la masse est équivalente à l'énergie, dans le cas de la matière noire à plusieurs composants, les différences de masse entre les différents composants conduiraient à une vitesse élevée de la matière noire légère. Le terme "matière noire boostée, ' donc, signifie essentiellement que la matière noire incidente a une vitesse relativement élevée.
"Le signal attendu de la matière noire à grande vitesse est le recul énergétique des électrons, alors que la matière noire typique apporte un recul nucléaire de faible énergie, " expliqua Lee. " Cette théorie s'est considérablement développée au cours des dernières années. Après ça, les théoriciens ont commencé à penser à la diffusion inélastique, à cause des multiples composants de la matière noire."
Le détecteur COSINE-100 de l'extérieur. Crédit :Ha et al.
En chimie et en physique, La diffusion inélastique est un processus fondamental dans lequel l'énergie cinétique d'une particule incidente n'est pas conservée, mais est soit perdu, soit augmenté. Des chercheurs du CERN, ainsi que d'autres institutions en Corée et aux États-Unis ont théorisé une interaction inélastique de la matière noire stimulée. Selon leurs théories, la matière noire relativiste interagit avec le matériau cible par diffusion inélastique avec les électrons, créer un état plus lourd qui produit plus tard des particules de modèle standard, comme les paires électron-positon.
"En diffusion inélastique, le premier électron énergétique est produit avec une particule de secteur sombre supplémentaire, " expliqua Lee. " Une telle particule du secteur sombre se désintègre en une paire électron-positon avec un certain déplacement. Jusque là, aucune expérience n'a étudié attentivement ce genre de signaux, nous avons donc pensé que cela pourrait être un bon scénario alternatif pour expliquer le problème de la matière noire."
Dans leur étude, Lee et ses collègues ont effectué la première recherche directe d'IBDM avec un détecteur terrestre. Essentiellement, ils ont immergé huit cristaux de Nal(TI) d'une masse totale de 106 kg dans un 2, Scintillateur liquide 200L entouré de blindages lourds pour bloquer les fonds radioactifs.
À l'intérieur du détecteur COSINE-100. Crédit :Ha et al.
À l'intérieur du détecteur COSINE-100. Crédit :Ha et al.
(a) Production de BDM relativiste χ1 dans le centre galactique par l'annihilation de la matière noire plus lourde χ0. (b) Illustration d'impacts multi-sites d'une interaction inélastique de BDM pour le cas de deux interactions se produisant dans deux détecteurs NaI(Tl) et à scintillateur liquide (LS) différents. (c) Illustration d'impacts radio-induits par Bremsstrahlung sur deux détecteurs NaI(Tl) ou LS. Crédit :Ha et al.
"Nous avons utilisé à la fois NaI(Tl), 106kg, et LS, 2 tonnes, en tant que détecteur actif pour rechercher une paire énergétique électron plus électron-positon qui a déposé des énergies dans deux composants de détecteur différents, " dit Lee. " En raison de la masse importante du détecteur et de ses nombreux composants, il atteint une sensibilité relativement bonne pour ces types de signaux."
Malheureusement, Lee et ses collègues ont été incapables de détecter les signaux IBDM dans leurs données. Néanmoins, la leur est une étude pionnière, car personne n'avait auparavant utilisé des détecteurs pour rechercher ce type particulier de matière noire.
Leur travail s'inscrit dans un projet plus vaste, surnommé COSINE-100, qui vise spécifiquement à tester la modulation annuelle de la matière noire observée par l'expérience DAMA. Les chercheurs pensent que d'autres recherches de signaux IBDM en utilisant le même détecteur ou d'autres détecteurs de matière noire à l'échelle de la tonne seront plus fructueuses.
"Pour la recherche boostée de matière noire, nous améliorerons notre analyse en utilisant un ensemble de données environ 10 fois plus volumineux que celui que nous avons déjà sur disque, " a déclaré Lee. " Nous prévoyons également de rechercher des canaux de diffusion élastique et nous nous attendons à ce qu'une recherche mise à jour explore de grands espaces de paramètres qui n'ont encore été recherchés dans aucune autre expérience. "
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