Desenho esquemático do futuro experimento CDEX-100. Crédito:She et al.
Observações cosmológicas e astrofísicas anteriores sugerem que mais de um quarto da densidade de energia do universo é composto de um tipo não convencional de matéria conhecido como matéria escura. Acredita-se que esse tipo de matéria seja composto de partículas que não absorvem, emitir ou refletir luz, e, portanto, não pode ser observado diretamente usando métodos de detecção convencionais.
Pesquisadores de todo o mundo realizaram estudos com o objetivo de detectar matéria escura no universo, ainda tão longe, nenhum deles teve sucesso. Mesmo o candidato preferido para matéria escura, partículas massivas de interação fraca (WIMPs), ainda não foram observados experimentalmente.
Colaboração da China Dark Matter Experiment (CDEX), uma grande equipe de pesquisadores da Universidade Tsinghua e de outras universidades na China, conduziu recentemente uma pesquisa por um possível candidato diferente à matéria escura, conhecido como fóton escuro. Embora a pesquisa não tenha sido bem-sucedida, o papel deles, publicado em Cartas de revisão física , identifica novas restrições em um parâmetro de fóton escuro que pode informar estudos futuros.
"O fóton escuro, uma partícula invisível hipotética, é um candidato atraente à matéria escura, que também pode ser um novo mediador de interação entre a matéria escura e a matéria normal, "Qian Yue, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "O estudo e detecção da matéria escura podem contribuir para a extensão do modelo padrão (SM) da física de partículas e expandir nosso conhecimento do universo."
A colaboração da CDEX vem conduzindo pesquisas por matéria escura clara há algum tempo, usando um detector de germânio de contato de ponto do tipo p de 10 kg instalado no laboratório subterrâneo China Jinping (CJPL). CJPL é o centro de pesquisa subterrâneo mais profundo do mundo, com uma cobertura rochosa de 2.400 metros.
Desenho esquemático da configuração experimental do CDEX-10 com string detector. Crédito:She et al.
O detector usado pelos pesquisadores consiste em três cadeias de detectores de germânio de elemento triplo, cercado por 20 cm de espessura, alta pureza, cobre livre de oxigênio, que atua como uma proteção passiva contra a radioatividade ambiente. Este instrumento é diretamente imerso em nitrogênio líquido para manter temperaturas relativamente baixas.
"Os fótons escuros podem ser detectados experimentalmente por meio de sua absorção e conversão em elétrons nos detectores de germânio em um processo análogo ao efeito fotoelétrico dos fótons SM, "Yue explicou." Fontes intensas de fótons, por exemplo., o sol, fornecem uma excelente plataforma para procurar fótons escuros. Em uma faixa de 100 eV, o limite de baixa energia dos detectores de germânio de contato pontual é particularmente adequado para o estudo de fótons escuros. "
Em seu artigo recente, Yue e seus colegas analisaram os dados coletados usando o detector na CJPL entre fevereiro de 2017 e agosto de 2018, procurando por fótons escuros solares e fótons escuros, dois candidatos de matéria escura. Embora os pesquisadores não tenham sido capazes de observar sinais apontando para qualquer um desses candidatos, eles conseguiram definir restrições no parâmetro de mistura cinética efetiva entre fótons escuros e fótons SM.
"Como um candidato atraente para a matéria escura e um novo mediador de interação possível entre a matéria escura e a matéria normal, o fóton escuro é atraente para futuros esforços teóricos e experimentais, "Yue disse." Nosso trabalho investigou um novo espaço de parâmetros e estabeleceu os limites mais estritos para fótons solares escuros entre os experimentos de detecção direta.
O estudo recente realizado por Yue e seus colegas fornece alguns novos comentários valiosos que podem informar pesquisas futuras de matéria escura, particularmente para fótons escuros. Além disso, seu trabalho reforça o atual interesse mundial em explorar outros candidatos à matéria escura, indo além dos WIMPs e seu canal de detecção de espalhamento elástico com o núcleo.
"Para avançar ainda mais na pesquisa de matéria escura clara, vamos reinstalar o conjunto de detectores CDEX-10 em um novo, maior crio-tanque de nitrogênio líquido com um volume de cerca de 1700 m 3 no Hall-C do novo laboratório CJPL-II nos próximos dois anos, onde a proteção da radioatividade ambiente é fornecida pelo nitrogênio líquido de 6 metros de espessura, "Yue disse." Detectores adicionais de germânio, até cerca de 100 kg, estão planejados para implantação no crio-tanque com fundo reduzido e maior eficiência de detecção. "
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