Detectorul DarkSide-50 restrânge căutarea materiei întunecate ultra-grele
Colaborarea DarkSide a publicat rezultatele unui experiment desfășurat pe parcursul a șapte ani, prin care a testat ipoteza că particulele de materie întunecată ar putea exista sub formă de compuși ai unor particule elementare mai mici. Deși căutarea nu a relevat dovezi directe ale acestei forme de materie întunecată „nucleară ultra-grea”, datele obținute cu detectorul DarkSide-50 ar putea pune bazele unor experimente viitoare, ajutându-i pe fizicieni să stabilească dacă materia întunecată are o structură internă. Cercetarea a fost publicată în revista Physical Review D.
Ipoteza nucleelor întunecate
Până în prezent, două dintre cele mai răspândite teorii care explică natura materiei întunecate sunt axionii și particulele masive care interacționează slab (WIMP). Niciuna dintre ele nu interacționează cu radiația sau cu materia obișnuită altfel decât prin gravitație. Deși cele două teorii diferă considerabil, ele împărtășesc presupunerea că materia întunecată există în întregime sub formă de particule elementare, care nu pot fi descompuse în componente mai simple, spre deosebire de un nucleu atomic, care se separă în protoni și neutroni constituenți.
Întrucât detectarea directă a acestor particule continuă să îi eludeze pe fizicieni, cercetători precum Jocelyn Monroe de la Universitatea Oxford au luat în considerare o idee alternativă.
„Acum aproximativ un deceniu, colaboratorii mei și cu mine am explorat posibilitatea ca materia întunecată să aibă propria fizică nucleară”, descrie Monroe. Potrivit acestei descrieri, „particulele întunecate se leagă între ele în universul timpuriu pentru a forma «nuclee întunecate» foarte mari, care pot conține miliarde sau mult mai mulți constituenți”.
Pornind de la aceste teorii inițiale, echipa lui Monroe a analizat modul în care particulele compuse de materie întunecată ultra-grea ar apărea în detectoarele experimentale, în moduri comparabile cu instrumentele construite pentru a detecta axioni și WIMP. Sfera lucrării s-a extins rapid pentru a include o rețea internațională de fizicieni, care a devenit colaborarea DarkSide.
Luarea în calcul a structurii interne
Între 2013 și 2020, colaborarea a operat DarkSide-50, un detector construit în jurul unui rezervor cilindric cu argon lichid, găzduit la Laboratori Nazionali del Gran Sasso al INFN din Italia, cea mai mare facilitate de cercetare subterană din lume.
La fel ca alte detectoare de materie întunecată, DarkSide-50 a fost proiectat să capteze fulgerări slabe de lumină, despre care se prevede că apar atunci când particulele de materie întunecată se împrăștie pe nucleele atomice din lichid, determinând un nucleu să reculeze și să depună energie. Pentru axionii sau WIMP elementari, această interacțiune ar produce o singură reculare.
„Distincția cheie este că analiza ia în considerare structura lor internă”, explică Monroe. „Materia întunecată are o dimensiune finită și un factor de formă corespunzător, iar un singur obiect poate împrăștia potențial de mai multe ori în timp ce trece prin detector.”
Eliminarea posibilităților
În cel mai recent studiu al lor, colaborarea DarkSide prezintă o analiză exhaustivă a datelor colectate în timpul funcționării DarkSide-50. Într-un rezultat familiar, experimentul nu a găsit dovezi ale interacțiunii materiei întunecate compuse cu nucleele de argon. Cu toate acestea, rezultatele au permis echipei să elimine o gamă largă de proprietăți propuse pentru materia întunecată ultra-grea, ascuțind ținta pentru experimentele viitoare.
„O caracteristică interesantă a rezultatului este că sensibilitatea depinde de proprietățile constituenților – «nucleonii întunecați» – arătând că structura internă a materiei întunecate poate avea consecințe observabile”, adaugă Monroe.
Cunoașterea locurilor unde să nu cauți
La un nivel mai larg, Monroe este încrezătoare că perspectivele oferite de DarkSide-50 ar putea ajuta la clarificarea a ceea ce este de fapt substanța eluzivă care constituie 85% din masa universului. Dacă materia întunecată există într-o formă ultra-grea și compusă, detectoarele care valorifică capacitățile DarkSide-50 ar putea, în cele din urmă, să îi sondeze structura internă, la fel cum experimentele convenționale de împrăștiere relevă structura nucleelor atomice.
Este posibil ca echipa să nu trebuiască să aștepte mult. În 2027, colaborarea DarkSide plănuiește să lanseze DarkSide-20k, un detector care utilizează de aproximativ 1.000 de ori mai mult argon lichid decât predecesorul său.
„Aceasta va deschide posibilitatea pe termen lung de a observa potențial semnături de «chimie întunecată»”, prezice Monroe. „Mai imediat, această lucrare arată că experimentele existente pot testa candidați pentru materia întunecată care arată foarte diferit de WIMP-ul convențional.”
