PandaX establece nuevas restricciones en la búsqueda de materia oscura clara a través de señales de ionización

Equipos de físicos de todo el mundo han estado tratando de detectar la materia oscura, un tipo esquivo de materia que no emite, absorbe ni refleja la luz. Debido a su falta de interacciones con las fuerzas electromagnéticas, esta materia es muy difícil de observar directamente, por lo que la mayoría de los investigadores buscan señales que se originen en sus interacciones con otras partículas en su entorno.

El experimento PandaX es un esfuerzo de investigación dedicado a la búsqueda de materia oscura utilizando datos recopilados por el detector de partículas y xenón astrofísico, ubicado en el Laboratorio subterráneo China Jinping (CJPL) en Sichuan, en China. En un artículo reciente publicado en Cartas de revisión físicalos investigadores involucrados en este experimento a gran escala publicaron los resultados de su búsqueda más reciente de materia oscura clara (es decir, partículas masivas que interactúan débilmente con masas por debajo de 1 GeV).

«Actualmente, existen fuertes restricciones para los candidatos de materia oscura de masa pesada derivados de resultados nulos en experimentos de detección directa con detectores de xenón», dijeron Yue Meng, Qing Lin y Ning Zhou a Tech Xplore, en nombre de la colaboración PandaX. «Sin embargo, las búsquedas tradicionales no son sensibles a la materia oscura de masa ligera (menos de GeV/c2) debido al umbral de energía de detección. El uso de una señal de solo ionización (solo S2) para buscar materia oscura de masa ligera puede reducir el umbral de energía de ~1 keV a 0,1 keV. Los análisis anteriores de datos solo de S2 en detectores de xenón no pudieron modelar el fondo, lo que impidió búsquedas efectivas y sensibles de materia oscura de masa ligera».

En los detectores de xenón de doble fase, como el detector PandaX, la materia oscura normalmente podría manifestarse a través de señales de centelleo (S1) y una señal de ionización (S2). Para reducir el umbral de energía en el que se podría detectar esta señal, Meng, Lin, Zhou y sus colegas se centraron en la segunda de estas señales (S2), la llamada señal de ionización, que ocurriría cuando los electrones se ionizan a partir de átomos de xenón y luego se extraen del xenón líquido bajo un campo eléctrico.

«Nos enfocamos solo en datos de ionización, ya que la señal de ionización S2 se amplifica en el campo eléctrico alto en la región del gas xenón y relajó el requisito de S1», explicaron los investigadores. «Durante la ejecución de la puesta en marcha de PandaX-4T, se recopilaron aproximadamente 90 días de datos. Primero desciframos la región de control para validar nuestra estimación de fondo, luego desciframos la región de la señal para la prueba de señal de materia oscura de masa ligera. En última instancia, no se observó un exceso significativo y derivamos restricciones para las partículas de materia oscura ligera».

Si bien este trabajo reciente de la colaboración PandaX no produjo la observación de señales que insinuaran la presencia de materia oscura clara, permitió a los investigadores establecer restricciones más estrictas en la detección de este tipo de materia oscura mediante la búsqueda de señales de ionización. Estas restricciones delinean un rango de masa de 40 MeV/c² hasta 10 GeV/c² para interacción punto-materia oscura-electrón, 100 MeV/c² hasta 10 GeV/c² para la interacción materia oscura-electrón a través de un mediador de luz, y de 3,2 a 4 GeV/c² para la interacción independiente del espín entre la materia oscura y el nucleón.

«Esta es la primera vez que los fondos de solo ionización se han entendido y modelado en modernas cámaras de proyección de tiempo de xenón líquido con un umbral de energía de nivel de pocos electrones», dijeron Meng, Lin y Zhou. «Los resultados proporcionan las restricciones más estrictas hasta el momento sobre las posibles interacciones de las partículas de materia oscura en rangos de masa tan amplios como 40 MeV/c.² hasta 10 GeV/c², dependiendo del tipo de interacción. Los nuevos límites se están acercando al espacio de parámetros en el que los investigadores predicen que pueden habitar las partículas de materia oscura producidas por mecanismos de congelación y congelación en el universo primitivo».

Las nuevas restricciones establecidas por la colaboración PandaX podrían informar nuevas búsquedas de materia oscura clara utilizando datos recopilados por detectores de xenón de doble fase. Mientras tanto, el detector PandaX está recopilando más datos con un nivel de fondo más bajo, lo que podría ayudar a establecer restricciones cada vez más estrictas sobre la materia oscura clara, lo que podría contribuir a su futura detección.

«El experimento PandaX-4T continúa recopilando datos y mejorando la sensibilidad de su búsqueda», agregaron Meng, Lin y Zhou. «Basándonos en nuestra comprensión mejorada del fondo solo de S2, planeamos suprimirlo aún más mediante el desarrollo de un mejor algoritmo de discriminación con más datos recopilados y/o la optimización de la condición de ejecución para suprimir los orígenes de dichos fondos».

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