Mörk materia (DM) är en typ av materia som uppskattas utgöra 80 % av universums totala massa, men den kan inte detekteras direkt med konventionella experimentella tekniker. Eftersom DM varken avger, reflekterar eller absorberar ljus har de flesta tidigare sökningar efter mörk materia syftat till att observera dess svaga växelverkan med vanlig materia med hjälp av högkänsliga detektorer eller andra tecken som är kopplade till dess närvaro eller sönderfall.
Forskare vid Texas A&M University har nyligen introducerat en ny metod som kan möjliggöra direkt detektering av denna svårfångade typ av materia, genom att utnyttja en process som kallas DM-intern parproduktion. Deras föreslagna strategi, som beskrivs i en artikel publicerad i Physical Review Letters, kan öppna nya möjligheter för framtida DM-sökningar med fokus på ett brett spektrum av kandidatpartiklar.
”DM:s partikelkaraktär kan avslöjas när en DM-partikel sprids från en atomkärna och producerar en synlig rekylsignal”, säger författarna till Phys.org. ”För lätt DM är det dock kinematiskt svårt att överföra tillräcklig energi till en tung atomkärna, även om DM är energirik. För att övervinna denna begränsning har vi utvecklat ett ramverk där ytterligare partiklar produceras i slutstadiet, vilket gör att DM:s energi kan delas mellan dem, medan kärnan förblir i stort sett i vila.”
Den detekteringsstrategi som föreslås av Bhaskar Dutta, Aparajitha Karthikeyan, Mudit Rai och Hyunyong Kim förväntas förbättra detekterbarheten av lätt DM i spridningsexperiment. Det här är forskningsinsatser som syftar till att observera interaktioner mellan DM och vanlig materia som kan lämna spår som går att detektera.
”Vi föreslår en ny mörk materia–kärnscatteringsprocess som involverar emission av ett myonpar, elektronpar eller fotoner i kortbaslinje-neutrinoexperiment, t.ex. pågående kortbaslinje-neutrinoanläggningar vid Fermilab, kommande DUNE, etc., där stora mörk materiaflöden förväntas från proton-målkollisioner men är svåra att detektera”, förklarade författarna.
”Dessa energirika slutlägen ger distinkta signaturer som gör det möjligt att skilja mörk materia-signaler från neutrinobakgrunden och erbjuder nya sätt att undersöka de underliggande mörk materia-modellerna.”
Den metod för att detektera mörk materia som Dutta och hans kollegor föreslår bygger på en teori som förutsäger att energirika mörk materiapartiklar kan kollidera med kärnor i täta material, såsom de som används i olika storskaliga DM-experiment. Dessa kollisioner kan resultera i utbyte av en tillfällig kvantfluktuation av ljus, känd som en virtuell foton, som i sin tur leder till bildandet av ett lepton-antileptonpar.
Forskarna föreslår en strategi för att extrahera energirika och synliga signaler som är förknippade med bildandet av dessa par, vilket hittills har visat sig vara svårt. Denna strategi skulle kunna användas som en del av framtida sökningar efter mörk materia, vilket potentiellt skulle kunna bidra till dess upptäckt och kasta ljus över dess ursprung och sammansättning.
”Hittills har vi tillämpat vår nyutvecklade mekanism i samband med neutrinopartikelexperiment med kort baslinje”, tillägger författarna. ”Uppmuntrade av dessa resultat planerar vi att utvidga denna metod för att söka efter mörk materia som finns i galaxen eller som produceras i astrofysiska källor såsom blazarer.
”I sådana scenarier skulle de resulterande energiska signalerna kunna detekteras i olika direkta och indirekta experiment för detektering av mörk materia, samt i stora neutrinodetektorer såsom DUNE, Hyper-Kamiokande, JUNO, IceCube och KM3NeT.”
Mer information: Bhaskar Dutta et al, Dark Matter Internal Pair Production: A Novel Direct Detection Mechanism, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/ry3x-dw48.
