Ingrid Fadelli , Phys.org

Stephanie Baum tərəfindən redaktə edilib , Robert Egan tərəfindən nəzərdən keçirilib

 Redaktorların qeydləriYeni təklifin sxemi. Neytrino rəsədxanasında molekullarla korrelyasiya olunmayan DM səpilmələrinin məcmu dərəcəsi PMT-lər tərəfindən aşkar edilən fotonlar hesabına statistik siqnal yaradır. Kredit: Fiziki İcmal Məktubları (2025). DOI: 10.1103/mcyx-g4pd

Qaranlıq maddə işığı buraxmayan, əks etdirməyən və ya udmayan, lakin kainatın kütləsinin çox hissəsini təşkil etdiyi təxmin edilən çətin bir maddə növüdür. Son onilliklər ərzində bütün dünyada bir çox fiziklər müxtəlif yanaşma və texnologiyalardan istifadə edərək bu tip maddəni və ya onun mövcudluğu ilə bağlı siqnalları aşkarlamağa çalışırlar.

Daha əvvəl heç vaxt birbaşa təsbit edilmədiyi üçün qaranlıq maddənin tərkibi və xassələri əsasən naməlum olaraq qalır. Əvvəlcə qaranlıq maddə axtarışları nisbətən ağır hissəciklərin aşkarlanmasına yönəldilib. Bununla belə, bu yaxınlarda fiziklər də kütlələri bir giqa-elektron-voltdan (GeV) aşağı olan daha yüngül hissəciklər axtarmağa başladılar ki, bu da protonlardan daha yüngüldür.

SLAC Milli Sürətləndirici Laboratoriyasının və Ohayo Dövlət Universitetinin tədqiqatçıları bu yaxınlarda göstərdilər ki, bu sub-GeV qaranlıq maddə hissəciklərinin imzaları neytrino rəsədxanaları, ilkin olaraq neytrinoları öyrənmək üçün nəzərdə tutulmuş böyük yeraltı detektorlar (yəni, müntəzəm maddə ilə zəif qarşılıqlı təsir göstərən işıq hissəcikləri) tərəfindən də götürülə bilər.

Onların Physical Review Letters jurnalında dərc olunmuş məqaləsi gələcək işıq qaranlıq materiya axtarışları haqqında məlumat verə bilər və onun aşkarlanmasına səbəb ola biləcək yeni marşrutlar aça bilər.

Məqalənin ilk müəllifi Rebecca Leane Phys.org-a deyib: “Yüngül qaranlıq maddəni aşkar etmək çox çətindir, çünki o, səpələndikdə yalnız kiçik miqdarda enerji ötürür”. “Eyni zamanda, JUNO kimi neytrino rəsədxanaları nəhəng hədəf kütlələri və incə alətlərlə təchiz edilmiş detektorları ilə tikilir, lakin onlar ilkin olaraq qaranlıq maddə nəzərə alınmaqla dizayn edilməmişdilər. Bu məqalə sual doğurmadı: Nə üçün neytrino rəsədxanaları standart, xüsusi qaranlıq maddənin birbaşa aşkarlanması təcrübələri kimi istifadə edilmir?”JUNO-nun illik modulyasiya potensialı DM kütləsinin funksiyası kimi DM-elektron səpilmə kəsiyi üçün 95% CL həssaslığı, nominal bir illik məruz qalma müddətini (20 000 ton-il) qəbul edir. Komanda həmçinin Borexino və SNOþ üçün təxmin edilən potensial bir illik həssaslıqları göstərir. Bunlar, tamamlayıcı birbaşa aşkarlama və günəşin əks olunması (“günəş”) məhdudiyyətləri ilə birlikdə ağır vasitəçi üçün nəticələrdir. Kredit: Fiziki İcmal Məktubları (2025). DOI: 10.1103/mcyx-g4pd

İşıqlı qaranlıq maddə axtarışları üçün neytrino detektorlarının təkrar istifadəsi

Neytrino rəsədxanaları adətən fiziklərin indiyə qədər açıq qaranlıq maddəni axtarmaq üçün etibar etdikləri əksər detektorlardan daha böyük həcmlərə malikdir. Bu rəsədxanaların bir çoxu, o cümlədən JUNO, Borexino və KamLAND rəsədxanaları maye sintillyatorlara, yüklü hissəciklər onlardan keçərkən işıq yaradan mayelərə əsaslanır.

“Bu maye sintillyatorlar digər detektorlara nisbətən daha aşağı həyəcan hədlərinə malikdir, bu o deməkdir ki, onlar əslində aşağı enerjili səpilmə hadisələrini aşkar edə bilirlər” dedi Leane. “Bəs niyə onlardan istifadə etməyək?”

Tədqiqatlarının bir hissəsi olaraq, Leane və onun əməkdaşı John Beacom, açıq qaranlıq maddəni axtarmaq üçün neytrino rəsədxanalarının yenidən təyin edilməsi potensialını araşdırmaq üçün yola çıxdılar. Bunu etmək üçün, onlar Çinin cənubundakı neytrino rəsədxanası olan və diqqətəlayiq həssaslıq nümayiş etdirən JUNO detektoruna xüsusi diqqət yetirərək, sintillyator əsaslı detektorun içərisində sub-GeV qaranlıq maddənin səpilməsini modelləşdirdilər.

“Biz göstərdik ki, neytrino rəsədxanaları fərdi hadisələri (neytrino detektorları adətən işlədiyi kimi) yox, aşağı enerji rejimində böyük fonları basdırmaq üçün normal “fon” siqnalında zamanla dəyişən həddən artıq çoxluq axtararaq güclü qaranlıq maddə detektorları kimi çıxış edə bilər ” dedi. “Bu, qaranlıq maddəyə qarşı potensial olaraq dünyada aparıcı həssaslığa səbəb olur.”

Gündəlik anlayışlar üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosda ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz xəbər bülleteni üçün qeydiyyatdan keçin və mühüm nailiyyətlər, yeniliklər və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniləmələr əldə edin .

Əsasən, Leane və Beacom qalaktikamızdakı qaranlıq maddə hissəciklərinin maye sintillyatorla doldurulmuş böyük bir neytrino detektorundan keçdiyi bir ssenarini nəzərdən keçirdilər. Bu ssenaridə açıq qaranlıq maddə hissəciyi mayenin içindəki elektrona çarparaq onu həyəcanlandıra və kiçik bir işıq parıltısı yaymağa sövq edə bilər.

“Həmin flaş o qədər kiçikdir ki, adətən birdən az aşkar edilə bilən fotoçoğaltıcı boru (PMT) vuruşu yaradır, ona görə də tək bir səpilmə hadisəsi detektorun adi “qaranlıq sürətindən”, səs-küy səbəbindən həmişə mövcud olan təsadüfi PMT kliklərindən fərqlənmir” deyə Leane izah etdi. “Əsas ideya tək hadisələrdən çox illik statistikadan istifadə etməkdir. Qalaktikamızdakı qaranlıq maddə Yer günəş ətrafında hərəkət edərkən səpilmə sürətində kiçik illik modulyasiya yaratmalıdır.”

Qaranlıq maddənin səpələnməsinin modulyasiyası ilə bağlı illik siqnal çox kiçik olsa da, onun tezliyi proqnozlaşdırıla bilər və zamanla PMT vurma dərəcəsini çox diqqətlə izləməklə çıxarıla bilər. Tədqiqatçıların sub-GeV qaranlıq maddəni axtarmaq üçün yeni təklif etdiyi yanaşma hazırda istifadə olunan metodlarla müqayisədə nəzərəçarpacaq üstünlüklərə malikdir.

“Birincisi, JUNO kimi neytrino rəsədxanalarının böyük hədəf kütləsi (təxminən 20.000 ton) var ki, bu da müntəzəm birbaşa aşkarlama təcrübələri ilə müqayisədə potensial qaranlıq maddə səpilmələrinin sayını kəskin şəkildə artırır” dedi Leane.

“İkincisi, onların istifadə etdikləri maye sintilator elektron həyəcanlar üçün çox aşağı enerji həddinə malikdir, bu da onu xüsusilə sub-GeV qaranlıq maddə üçün yaxşı uyğunlaşdırır. Məqalədə biz JUNO ilə konkret bir nümunə üzərində işləyirik və qaranlıq maddə üçün proqnozlaşdırılan həssaslıq əyrilərini göstəririk – elektron səpələnməsi kəsiyi, bu texnikanın bəzi diapazonlarda birbaşa təsir göstərə biləcəyini nümayiş etdirir.”JUNO-nun illik modulyasiya potensialı, nominal bir illik məruz qalma (20 000 ton-il) fərz edilərək, DM-elektron səpələnmə kəsiyi üçün DM kütləsinin funksiyası kimi 95% CL həssaslığıdır. Komanda həmçinin Borexino və SNOþ üçün təxmin edilən bir illik potensial həssaslıqları göstərir. Bunlar tamamlayıcı birbaşa aşkarlama və günəş əks olunması (“günəş”) məhdudiyyətləri ilə yanaşı, işıq mediatoru üçün nəticələrdir. Mənbə: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/mcyx-g4pd

Qaranlıq maddə təcrübələri üçün yeni imkanlar

Ümumilikdə, bu tədqiqatçılar qrupu tərəfindən aparılan təhlillər göstərir ki, onlar tamamilə fərqli məqsədlər üçün tikilsələr belə, neytrino rəsədxanaları açıq qaranlıq maddə hissəciklərini axtarmaq üçün perspektivli vasitələr ola bilər. Gələcəkdə bu rəsədxanaların yenidən təyin edilməsi üçün onların təklif etdiyi yanaşma daha da təkmilləşdirilə və sub-GeV qaranlıq maddəni axtarmaq üçün istifadə edilə bilər.

“Böyük, yenidən qurulmuş hadisələri axtarmaq əvəzinə, biz illik modulyasiyasından istifadə edərək, ümumi PMT qaranlıq dərəcəsini müşahidə edilə bilən qaranlıq maddə kimi necə istifadə edəcəyimizi göstəririk” dedi. “Təxminən bir illik məlumatla JUNO-nun MeV-miqyaslı qaranlıq maddə üçün təxminən 10 ³⁹ sm ^2- ə qədər qaranlıq maddə-elektron səpələməsinin kəsişmələrini tədqiq edə biləcəyini , hissəciklər nəzəriyyəsi baxımından xüsusilə maraqlı olan və digər üsullarla əldə etmək çətin olan qarşılıqlı təsir güclərinə çata biləcəyini gördük.

“Bu, MeV-GeV kütlə diapazonunda yeni kəşf pəncərəsi açır və bir neçə mövcud və gələcək detektorların (məsələn, Borexino və SNO+ kimi) sadəcə olaraq bu çərçivədə öz məlumatlarını yenidən təhlil etməklə rəqabətli axtarışlara töhfə verə biləcəyini göstərir.”

Leane və Beacom tərəfindən təklif olunan yanaşma tezliklə dünya üzrə eksperimental fizikləri qaranlıq maddə təcrübələri apararkən neytrinoları öyrənmək üçün istifadə edilən maye sintillyatorlara etibar etməyə ruhlandıra bilər. Bu cür səylər digər detektorlar tərəfindən alınan siqnalların çarpaz yoxlanılmasına kömək edə bilər, hipotetik işıq qaranlıq maddə hissəciklərinin xüsusiyyətlərinə daha sərt məhdudiyyətlər qoya bilər və ya hətta onların kəşfinə imkan verə bilər.

“Kəşf etməkdən məmnun olduğum bir neçə gələcək tədqiqat istiqaməti var” dedi Leane. “Nəzəri tərəfdən, biz qaranlıq maddənin spesifik detektor materialları ilə qarşılıqlı əlaqəsinin modelləşdirilməsini, o cümlədən sintilatorun elektron reaksiyasının və potensial sistematik qeyri-müəyyənliklərin daha ətraflı hesablamalarını kəskinləşdirmək istəyirik. Eksperimental tərəfdən, mühüm addım JUNO və başqaları kimi əməkdaşlıqlarla işləməkdir. Onların PMT qaranlıq dərəcələrini xarakterizə etmək üçün onların nə qədər uzun müddət ərzində sınanması və yaxşı başa düşülməsidir. modulyasiyaya əsaslanan axtarış üçün çox vacibdir.”

Növbəti araşdırmalarının bir hissəsi olaraq, tədqiqatçılar məqalələrində təqdim olunan ideyanı maye sintillyatorlardan başqa digər detektor dizaynlarına da genişləndirməyi planlaşdırırlar. Bundan əlavə, onlar dünyanın müxtəlif yerlərində bir neçə rəsədxanada toplanmış məlumatları birləşdirərək birgə təhlillərin aparılması imkanlarını araşdıracaqlar.

“Bu axtarışlar son dərəcə çətin olacaq” dedi Beacom. “Bununla belə, sərhəd fizikası tədqiqatlarının təbiəti belədir və eksperimentalistlər çətinliklərin öhdəsindən gəlməkdə çox ağıllıdırlar. Rəqabətli həssaslığa malik çoxsaylı detektorların olması o deməkdir ki, onlar bir-birinin nəticələrini yoxlamağa kömək edə bilər.”

“Nəticə etibarilə, məqsədimiz ya sub-GeV qaranlıq maddəni kəşf edə bilən, ya da hələ də gizlənə biləcəyi yerləri əhəmiyyətli dərəcədə daralda bilən güclü, çoxtəcrübəli bir proqram qurmaqdır”, – deyə Lin əlavə edib.

Müəllifimiz İnqrid Fadelli tərəfindən sizin üçün yazılmış, Stefani Baum tərəfindən redaktə edilmiş və Robert Eqan tərəfindən yoxlanılmış və nəzərdən keçirilmiş bu məqalə diqqətli insan əməyinin nəticəsidir. Müstəqil elmi jurnalistikanı yaşatmaq üçün sizin kimi oxuculara güvənirik. Bu hesabat sizin üçün əhəmiyyət kəsb edirsə, lütfən, ianə (xüsusilə aylıq) nəzərdən keçirin. Siz təşəkkür olaraq reklamsız hesab əldə edəcəksiniz .

Ətraflı məlumat: Rebecca K. Leane et al, Sub-GeV Dark Matter Detection with Neutrino Observatories, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/mcyx-g4pd

Jurnal məlumatı: Fiziki baxış məktubları 

© 2025 Science X Network