Berburu materi gelap di lemari besi di Neutrino Alley

Para ilmuwan di Laboratorium Nasional Oak Ridge berusaha mengamati materi gelap di koridor ruang bawah tanah yang terang benderang menggunakan sensitivitas detektor neutrino mereka. Neutrino Alley, tempat tim bekerja, terletak di bawah Spallation Neutron Source, akselerator partikel yang kuat. Setelah perhitungan teoretis selama bertahun-tahun, tim COHERENT berangkat untuk mengamati materi gelap, yang diperkirakan mencapai 85% massa alam semesta. Eksperimen tersebut memungkinkan tim untuk memperluas pencarian global materi gelap dengan cara baru, dan mereka berencana untuk menerima detektor yang lebih besar dan lebih sensitif untuk meningkatkan peluang mereka menangkap partikel materi gelap.

Beberapa hal membawa aura misteri yang sama seperti materi gelap. Nama itu sendiri memancarkan kerahasiaan, menunjukkan sesuatu yang tersembunyi dalam bayang-bayang alam semesta.

Disebut tim kolaboratif ilmuwan koherentermasuk Kate Schulberg, Distinguished Professor of Physics of Arts and Sciences, Philip Barbeau, Associate Professor of Physics, dan peneliti postdoctoral Daniel Berchie, telah mencoba untuk membawa materi gelap keluar dari bayang-bayang alam semesta ke tujuan yang kurang glamor: cahaya terang , lorong ruang bawah tanah yang sempit.

Bukan ruang bawah tanah biasa. Bekerja di area Laboratorium Nasional Oak Ridge yang dijuluki Neutrino Alley, tim tersebut biasanya berfokus pada partikel subatomik yang disebut neutrino. Mereka diproduksi ketika bintang mati dan menjadi supernova, atau pada tingkat yang lebih dekat ke Bumi, sebagai produk sampingan dari tabrakan proton dalam akselerator partikel.

Materi gelap, materi tak terlihat yang menyusun 85% materi alam semesta, tidak tersembunyi jauh di antara galaksi. Sebuah tim ilmuwan mencoba membawanya keluar dari bayang-bayang. Kredit: Sinar-X: NASA/CXO/Fabian dkk. ; Radio: Gendron-Marsolais dkk. ; Optik NRAO/AUI/NSF: NASA, SDSS

Bukan kebetulan, Neutrino Alley terletak tepat di bawah salah satu akselerator partikel terkuat di dunia, Oak Ridge’s. Sumber neutron spasial (SNS). Neutrino Alley menampung kumpulan detektor yang dirancang khusus untuk memantau neutrino saat mereka lewat dan bertabrakan dengannya.

Namun, neutrino bukan satu-satunya produk sampingan dari proses SNS. Materi gelap (jangan bingung dengan antimateri favorit penjahat) juga diproduksi saat akselerator partikel menghancurkan proton secara bersamaan. Setelah perhitungan teoretis selama bertahun-tahun, tim COHERENT berangkat untuk memanfaatkan kekuatan SNS dan sensitivitas detektor neutrino mereka untuk memantau materi gelap di Neutrino Alley.

“Dan kami belum melihatnya,” kata Schulberg. “Tentu saja, jika kita melihatnya, itu akan lebih mengasyikkan, tetapi tidak melihatnya sebenarnya adalah masalah besar.”

Dia menjelaskan bahwa fakta bahwa materi gelap belum terdeteksi oleh detektor neutrino memungkinkan dia untuk meningkatkan model teoretis seperti apa materi gelap itu.

“Kami tahu persis bagaimana detektor materi gelap akan merespons jika materi gelap memiliki sifat tertentu, jadi kami mencari tanda khusus itu.”

Kate Schulberg, rekan penulis Grayson Rich dan Philip Barbeau. Kredit: Universitas Long Li/Duke

Sidik jari yang dimaksud adalah cara inti atom dalam detektor neutrino memantul saat menabrak neutrino, atau dalam hal ini, partikel materi gelap.

“Ini seperti melempar proyektil ke bola bowling di atas es,” kata Berchie. Bola bowling, dalam analoginya, adalah atom-atom dalam detektor neutrino – yang dalam percobaan ini adalah kristal cesium iodida seberat 14,6 kg. “Kamu bisa tahu banyak tentang sling dan kekuatan yang kamu lempar dengan seberapa tinggi bola bowling memantul saat bersentuhan.”

Dalam hal materi gelap, informasi apa pun adalah informasi yang baik. Tidak ada yang tahu apa itu sebenarnya. Hampir 100 tahun yang lalu, fisikawan menyadari bahwa alam semesta tidak dapat berperilaku seperti itu jika isinya hanya hal-hal yang dapat kita lihat.

“Kami berenang di lautan materi gelap,” kata Jason Newby, kepala Kelompok Riset Neutrino di Laboratorium Nasional Oak Ridge dan rekan penulis studi tersebut. Konsensus fisikawan adalah bahwa materi gelap membentuk 85% massa alam semesta. Itu harus tunduk pada gravitasi untuk menjelaskan perilaku alam semesta, tetapi tidak berinteraksi dengan segala jenis cahaya atau gelombang elektromagnetik, dan tampak gelap.

Jason Newby dan rekan penulis Yuri Efremenko membawa detektor neutrino cesium iodida sangat kecil seberat 14,6 kg yang digunakan untuk mencari materi gelap di Neutrino Alley. Kredit: Laboratorium Nasional Genevieve Martin/Oak Ridge, Departemen Energi AS

“Kami mempelajari ini dengan melihat galaksi besar yang mengorbit satu sama lain, dan kami melihat bahwa mereka berputar jauh lebih cepat dari yang seharusnya, yang menyiratkan bahwa mereka memiliki massa lebih dari yang terlihat,” kata Birchi. “Jadi kami tahu ada hal-hal tambahan di luar sana, kami hanya perlu tahu di mana mencarinya.”

“Meskipun sebagian besar waktu kami tidak mendapatkan hasil, sangat penting bagi Anda untuk melihat ke mana-mana dan kemudian Anda dapat mengesampingkan sejumlah kemungkinan dan fokus pada area baru dengan strategi daripada hanya menggunakan ‘spaghetti di dinding. ‘ pendekatan, “kata Newby.

Daniel Berchi. Kredit: Universitas Duke

“Kami memperluas jangkauan kami ke semua model yang mungkin ada untuk materi gelap, dan itu sangat kuat,” kata Schulberg.

Dan pencapaiannya tidak berhenti di situ, dia mencatat: Eksperimen tersebut juga memungkinkan tim untuk memperluas pencarian global materi gelap dengan cara baru.

“Teknik deteksi tipikal adalah pergi ke bawah tanah, membangun detektor yang sangat sensitif, dan menunggu partikel materi gelap lewat,” kata Berchi.

masalah? Partikel materi gelap mungkin bergerak diam-diam di udara. Jika terlalu ringan, mungkin tidak mencapai detektor dengan daya yang cukup untuk membuat sidik jari yang dapat dideteksi.

Pengaturan eksperimental tim COHERENT mengatasi masalah ini.

“Saat Anda masuk ke akselerator, Anda menghasilkan partikel-partikel itu dengan energi yang jauh lebih tinggi,” kata Berchi. Ini memberi mereka banyak gravitasi untuk mengenai inti dan menunjukkan sinyal materi gelap. “

Jadi bagaimana sekarang? Ini tidak cukup kembali ke papan gambar. Neutrino Alley saat ini bersiap untuk menerima detektor yang lebih besar dan lebih sensitif, yang dikombinasikan dengan kriteria pencarian yang disempurnakan dari COHERENT, akan sangat meningkatkan peluang untuk menangkap salah satu partikel jahat ini.

“Kami berada di ambang di mana materi gelap harus berada,” kata Birchi.

Referensi: “Penyelidikan materi gelap Sub-GeV pertama di luar prediksi kosmologis menggunakan detektor COHERENT CsI di SNS” oleh D. Akimov et al. 3 Februari 2023 Surat pemeriksaan fisik.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.051803