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PandaX-4T 협업으로 가벼운 페르미온 암흑 물질에 대한 최근 검색

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PandaX-4T 액체 크세논 시간 투영 챔버. 크레딧: PandaX 협업.

전 세계의 천체 물리학자 팀은 빛을 방출, 흡수 또는 반사하지 않아 감지하기 매우 어려운 우주의 가상 물질인 암흑 물질(DM)의 다양한 가능한 유형을 관찰하려고 노력하고 있습니다. 그러나 페르미온으로 만들어질 페르미온 DM은 지금까지 주로 이론적으로 탐구되었습니다.

PandaX-4T 실험에 참여한 중국의 대규모 연구자 컨소시엄인 PandaX Collaboration은 최근 GeV 이상에서 MeV 또는 keV 범위까지 페르미온 DM을 직접 감지하는 것을 목표로 하는 실험을 위해 민감한 질량 창을 확장하는 것을 목표로 하는 연구를 수행했습니다.

연구팀은 최근 2편의 논문을 발표했다. 물리적 검토 편지 Panda X-4T 실험의 일환으로 수집된 데이터를 사용하여 페르미온성 DM의 흡수에 대한 두 가지 검색 결과를 간략하게 설명합니다.

“질량 DM이 질량이 없는 중성미자로 변환되면 DM 질량이 흡수되어 중성미자의 운동 에너지로 변환되며 가장 중요하게는 반동된 전자 또는 핵 표적이 됩니다.”라고 Prof. 연구를 수행한 연구원 중 한 명인 Shao-Feng Ge는 Phys.org에 말했습니다.

“에너지로의 효율적인 질량 변환으로, 아인슈타인 관계 E = mc에 따르면2keV(MeV) DM조차도 반동 전자(핵)에 충분히 큰 반동 에너지를 축적할 수 있습니다.”

질량의 흡수로 인한 반동 에너지를 감지하여 가벼운 페르미온 DM을 관찰하는 아이디어는 몇 년 전에 처음 등장했으며 이후 여러 이론 물리학자 그룹에 의해 탐구되었습니다. 이러한 연구가 가치 있는 이론적 예측을 제공했지만 이러한 예측은 지금까지 실험적으로 테스트된 적이 없습니다.

“과거의 현상학적 논문은 페르미온 DM r 검색을 위한 이 독특한 채널의 기본 기능을 확립했습니다.”라고 Prof. 게 설명했다. “PandaX 협업은 실제 데이터를 사용하여 예측된 신호를 먼저 검색하기 위해 열심히 노력했습니다.”

이론적인 연구에 따르면 핵 흡수 반응에서 DM의 질량은 나가는 중성미자와 핵을 충전하는 운동 에너지로 변환됩니다. “핵 반동 에너지”로 알려진 이 에너지는 대략 DM 질량의 제곱에 비례해야 하므로 고유한 단일 에너지 스펙트럼이 생성됩니다. 그들의 첫 번째 연구에서 PandaX-4T 협력은 핵에 의한 페르미온 DM의 흡수로 인한 에너지를 감지하려고 시도했습니다.

“이 단일 에너지 스펙트럼은 전통적인 탄성 산란 스펙트럼과 극적으로 다르며 DM 직접 검출 실험에서 이전에 전용으로 검색되지 않았습니다.”라고 Dr. 연구에 참여한 또 다른 연구원인 Yi Tao는 Phys.org에 말했습니다. “이 PandaX-4T 검색의 일환으로 우리는 핵 반동 에너지 재구성에 대한 전용 연구를 수행한 다음 시뮬레이션과 중성자 보정 데이터를 비교했습니다.”

연구원들은 이중 위상 시간 투영 챔버(TPC)에서 수집한 데이터와 검출기 응답 이론 모델 간에 좋은 일관성이 있음을 발견했습니다. 보다 구체적으로, 그들이 스캔한 신호 영역은 30 MeV/c의 DM 질량 매개변수를 포함하는 최대 100keV의 핵 반동 에너지에 해당합니다.2 125 MeV/c입니다.2.

핵 흡수 과정과 유사한 방식으로 전자 흡수 과정도 빛 DM에 민감할 것으로 예상되지만 질량 범위는 다릅니다. 사실, 전자 흡수 과정은 가상의 페르미온 DM 입자의 정적 질량을 전자의 운동 에너지로 변환하여 자유 전자를 생성하는 것을 의미합니다.

PandaX-4T 협업으로 가벼운 페르미온 암흑 물질에 대한 최근 검색

크세논에 의한 암흑물질의 흡수를 나타내는 그림. 크레딧: PandaX 협업.

이론적으로 페르미온 DM은 실험적으로 감지할 수 있는 액체 크세논 감지기에서 전자 반동 신호를 유도해야 합니다. 두 번째 연구에서 PandaX-4T 협업은 페르미온성 DM의 다른 잠재적인 흔적을 검색했습니다.

전자는 핵보다 훨씬 가벼워 흡수 과정에서 쉽게 방출됩니다. 따라서 전자 흡수 검색은 하위 MeV 질량 범위에 민감할 수 있습니다.

또한, 상당한 양의 에너지가 열로 소멸되고 액체 크세논 검출기에서 감지되지 않는 핵 반동 신호와 달리 대부분의 전자 반동 에너지는 감지 가능합니다. 연구를 수행한 또 다른 연구원인 Dan Zhang은 Phys.org에 말했습니다.

“보다 자세한 이론적 모델을 위해 4-페르미온 과정(페르미온 DM + 전자 -> 전자 + 중성미자)에서 서로 다른 가상의 6차원 연산자가 효과적인 장 이론 접근 방식으로 연구되었습니다. 전자 흡수 신호는 직접탐지 실험에서는 오퍼레이터의 수가 많지만 커플링에 대한 해석이 상당히 다르고 다른 우주 및 천체 물리학 관측과의 비교도 다릅니다.”

Dr. 박사가 수행한 전자에 의해 흡수된 sub-MeV 페르미온 DM에 대한 검색. Zhang과 나머지 PandaX-4T 협업은 예상 배경 이상의 중요한 신호를 감지하지 못했습니다. 그럼에도 불구하고 팀은 수십 keV/c의 질량을 가진 DM에 대한 축 벡터 및 벡터 상호 작용에 대한 가장 강력한 한계를 설정할 수 있었습니다.2이러한 가벼운 페르미온 DM에 대한 기존 천문학 및 우주론 제약을 능가합니다.

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“약 2년 전 XENON1T는 60keV/c의 전자 흡수로 해석될 수 있는 낮은 에너지 초과를 보고했습니다.2 현상학적 연구에 따른 페르미온성 DM”이라고 Zhang 박사는 말했습니다. “이 가능성은 이제 우리의 데이터에 의해 도전을 받습니다.”

PandaX-4T 협력에 의해 수행된 최근 검색은 가벼운 질량 DM을 검색하는 채널로서 핵 흡수 및 전자 흡수 프로세스의 잠재력을 강조합니다. 앞으로 그들은 유사한 검색을 수행하기 위해 전 세계의 다른 천체 물리학 협력에 영감을 줄 수 있습니다.

“일단 초과가 관찰되면 초과 에너지는 DM의 질량을 나타냅니다.”라고 Prof. 연구에 참여한 또 다른 연구원인 Ning Zhou는 Phys.org에 말했습니다. “이 채널에 대해 우리는 10^-50 cm까지의 하위 GeV DM-핵자 산란 단면 및 프로브에 대한 모델 독립적 제약을 얻었습니다.2 35 MeV/c의 지역2 DM 매스, 처음으로. 또한 Z’ 매개체가 있는 UV-완전 모델을 연구합니다. 이 모델은 우주론 제약 조건, 충돌자 제약 조건 및 직접 감지의 한계를 결합합니다.”

지금까지 Panda X-4T 협업은 페르미온 DM을 직접 감지하는 것을 목표로 하는 실험에 대한 새로운 한계를 성공적으로 설정했습니다. 그들의 실험이 진행 중이고 여전히 데이터를 수집하고 있기 때문에 팀은 곧 애매하고 가벼운 DM에 대한 추가 검색을 수행할 것입니다.

“우리가 보고한 데이터는 600kg의 액체 크세논 표적을 이 가상의 DM 조명에 1년 동안 노출시키는 것과 같습니다.”라고 Prof. PandaX 협업의 대변인인 Jianglai Liu는 Phys.org에 말했습니다. “PandaX-4T가 2025년에 종료되면 누적 노출이 10배 이상 증가할 것으로 예상합니다. 또한 철저한 보정을 통해 핵 반동 및 전자 반동 신호에 대한 탐지기에 대한 보다 정확한 이해를 얻을 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 앞으로의 이야기가 펼쳐진다.”

추가 정보:
Linhui Gu et al, PandaX-4T 실험으로 페르미온성 암흑 물질의 흡수에 대한 첫 번째 탐색, 물리적 검토 편지 (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.161803

Dan Zhang et al, PandaX-4T에서 전자의 페르미온성 암흑 물질 흡수에 대한 검색, 물리적 검토 편지 (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.161804

Jeff A. Dror et al, 페르미온성 암흑물질의 흡수로부터 신호를 직접 감지, 물리적 검토 편지 (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.181301

Jeff A. Dror et al, Absorption of sub-MeV fermionic dark matter by electron target, 물리적 검토 D (2021). DOI: 10.1103/PhysRevD.103.035001

Jeff A. Dror et al, Erratum: 전자 표적에 의한 서브-MeV 페르미온 암흑 물질의 흡수 [Phys. Rev. D 103 , 035001 (2021)], 물리적 검토 D (2022). DOI: 10.1103/PhysRevD.105.119903

Jeff A. Dror et al, Absorption of fermionic dark matter by nuclear target, 고에너지 물리학 저널 (2020). DOI: 10.1007/JHEP02(2020)134

Shao-Feng Ge et al, Revisiting the fermionic dark matter on electron target, 고에너지 물리학 저널 (2022). DOI: 10.1007/JHEP05(2022)191

© 2022 사이언스 X 네트워크

소환: PandaX-4T 공동 작업(2022년 11월 14일)에 의한 가벼운 페르미온성 암흑 물질에 대한 최근 검색은 https://phys.org/news/2022-11-fermionic-dark-pandax-4t-collaboration.html에서 2022년 11월 15일에 검색됨

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