Un equipo de investigadores de la República de Corea, los Estados Unidos., Brasil, Indonesia y el Reino Unido han llevado a cabo recientemente una búsqueda directa de materia oscura potenciada inelástica (IBDM) utilizando un detector terrestre. Su estudio, publicado en Cartas de revisión física ( PRL ), es el primero en buscar experimentalmente IBDM utilizando un detector terrestre.

Las observaciones recopiladas por estudios astrofísicos anteriores sugieren que el componente de materia dominante del universo no es materia ordinaria, pero materia oscura no bariónica. Los investigadores han realizado enormes esfuerzos para buscar materia oscura a través de la detección directa, experimentos de detección indirecta y colisionador, todavia esta muy lejos, sus intentos no han tenido éxito.

Esta falta de éxito les animó a buscar tipos alternativos de materia oscura, como los modelos de masa ligera o la materia oscura potenciada relativistamente (BDM), que tendría firmas sustancialmente diferentes en los detectores. Precisamente porque estos nuevos tipos de materia oscura producirían firmas no convencionales, muy pocos de ellos han sido objeto de experimentos tradicionales de materia oscura.

"A pesar de que los científicos han buscado constantemente materia oscura WIMP (Partícula masiva de interacción débil) durante las últimas décadas, aún no se han observado señales claras, "Hyun Su Lee, investigador del Instituto de Ciencias Básicas de Daejeon, Corea, quien llevó a cabo el estudio reciente, dijo Phys.org. "Esto ha motivado a los buscadores de otros tipos de materia oscura, que pueden dar señales significativamente diferentes en el detector. Una idea es buscar materia oscura multicomponente. En este caso, cada componente de materia oscura es probablemente materia oscura WIMP, pero tiene una masa diferente ".

Hace unos pocos años, Investigadores de la Universidad de Maryland y el MIT introdujeron un nuevo modelo que describe una partícula de materia oscura relativista impulsada por la aniquilación de participios de materia oscura más pesados ​​en el centro galáctico o el sol. Según su modelo, esto requeriría al menos dos especies de partículas de materia oscura, que comprende una materia oscura multicomponente.

Los candidatos a materia oscura con una masa más pesada pueden descomponerse en materia oscura clara. Como la masa es equivalente a la energía, en el caso de materia oscura multicomponente, las diferencias de masa entre los diferentes componentes conducirían a una alta velocidad de la materia oscura clara. El término 'materia oscura potenciada, ' por lo tanto, básicamente significa que la materia oscura incidente tiene una velocidad relativamente alta.

"La señal esperada de la materia oscura a alta velocidad es el retroceso energético de los electrones, mientras que la materia oscura típica trae retroceso nuclear de baja energía, "Lee explicó." Esta teoría se ha desarrollado considerablemente en los últimos años. Después, los teóricos comenzaron a pensar en la dispersión inelástica, debido a los múltiples componentes de la materia oscura ".

En química y física, La dispersión inelástica es un proceso fundamental en el que no se conserva la energía cinética de una partícula incidente, pero se pierde o aumenta. Investigadores del CERN, así como otras instituciones en Corea y Estados Unidos han teorizado una interacción inelástica de materia oscura potenciada. Según sus teorías, la materia oscura relativista interactúa con el material objetivo a través de la dispersión inelástica con electrones, creando un estado más pesado que luego produce partículas de modelo estándar, como pares de electrones-positrones.

"En la dispersión inelástica, el primer electrón energético se produce con una partícula adicional del sector oscuro, "Lee explicó." Tal partícula de sector oscuro se está desintegrando en un par de positrones de electrones con algún desplazamiento. Hasta aquí, ningún experimento ha estudiado cuidadosamente este tipo de señales, así que pensamos que este podría ser un buen escenario alternativo para explicar el problema de la materia oscura ".

En su estudio, Lee y sus colegas llevaron a cabo la primera búsqueda directa de IBDM con un detector terrestre. Esencialmente, sumergieron ocho cristales de Nal (TI) con una masa total de 106 kg en un 2, Centelador líquido de 200L rodeado de pesados ​​escudos para bloquear los fondos radiactivos.

"Usamos tanto NaI (Tl), 106 kg, y LS, 2ton, como un detector activo para buscar un par de electrones energéticos más un electrón de positrones que depositaba energías en dos componentes detectores diferentes, ", Dijo Lee." Debido a la gran masa del detector y sus muchos componentes, logra una sensibilidad relativamente buena para este tipo de señales ".

Desafortunadamente, Lee y sus colegas no pudieron detectar señales de IBDM en sus datos. Sin embargo, el suyo es un estudio pionero, ya que nadie había utilizado previamente detectores para buscar este tipo particular de materia oscura.

Su trabajo es parte de un proyecto mayor, apodado COSINE-100, que tiene como objetivo específico probar la modulación anual de la materia oscura observada por el experimento DAMA. Los investigadores creen que las búsquedas adicionales de señales IBDM utilizando el mismo detector u otros detectores de materia oscura a escala de toneladas serán más fructíferas.

"Para la búsqueda de materia oscura mejorada, Mejoraremos nuestro análisis utilizando un conjunto de datos 10 veces más grande que el que ya tenemos en el disco, ", Dijo Lee." También planeamos buscar canales de dispersión elástica y esperamos que una búsqueda actualizada explore grandes espacios de parámetros que aún no se han buscado en ningún otro experimento ".

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