Direct detection of electromagnetically interacting ultraheavy dark matter

L'universo è pieno di materia invisibile che tiene insieme le galassie, eppure non abbiamo mai visto un singolo granello di essa. Gli scienziati la chiamano "materia oscura" e, per decenni, la teoria prevalente è stata che sia composta da particelle pesanti e lente che interagiscono appena con la luce ordinaria o la materia. Tuttavia, una possibilità più silenziosa è rimasta in sospeso: e se parte di questa materia oscura portasse una carica elettrica minuscola e debole? Se così fosse, essa interagirebbe con i fotoni della luce, per quanto debolmente, creando un ponte tra il settore nascosto e il mondo visibile in cui abitiamo. Questa idea, nota come materia oscura "a carica millesimale" (millicharged), suggerisce che queste particelle potrebbero essere abbastanza leggere da sfrecciare attraverso i rivelatori o abbastanza pesanti da trapassarli, a seconda della loro massa. La domanda rimane se riusciremo a catturarle e, in caso affermativo, quanto pesanti potrebbero essere prima che i nostri strumenti attuali diventino semplicemente incapaci di vederle.

Un team di fisici ha ora mappato i limiti della nostra capacità di trovare queste particelle elusive, concentrandosi specificamente sui candidati più pesanti immaginabili. Hanno esaminato i dati provenienti da una vasta gamma di esperimenti sotterranei progettati per catturare la materia oscura, inclusi enormi serbatoi di xenon liquido, camere riempite di argon liquido e camere a bolle che rilevano minuscoli lampi di liquido in ebollizione. Il loro obiettivo era determinare quanto pesanti potessero essere queste particelle prima che i rivelatori stessi diventassero ciechi nei loro confronti. I ricercatori hanno scoperto che, per le particelle che interagiscono attraverso la carica elettrica, esiste un limite netto a quanta carica possono avere prima di essere rifiutate proprio dai sistemi di sicurezza progettati per proteggere gli esperimenti. Questo limite, o "soffitto", dipende interamente dal tipo di rivelatore utilizzato.

Lo studio rivela un vantaggio sorprendente per un tipo specifico di rivelatore: la camera a bolle. In molti esperimenti, come quelli che utilizzano lo xenon liquido, i rivelatori sono così sensibili che vedrebbero un'ondata di segnali dagli elettroni se la materia oscura avesse anche una minima carica elettrica. Per evitare di essere sopraffatti da questo rumore, questi esperimenti scartano automaticamente qualsiasi evento che sembri un'interazione elettronica. Di conseguenza, se la materia oscura è troppo carica, attiva questo sistema di veto e viene scartata, lasciando l'esperimento incapace di vederla. I ricercatori hanno calcolato che, per lo xenon liquido e i rivelatori a semiconduttore, ciò crea un limite superiore rigoroso sulla carica della materia oscura che possono cercare. Tuttavia, le camere a bolle funzionano diversamente. Sono progettate per ignorare i segnali deboli lasciati dagli elettroni e reagire solo agli impatti pesanti e vigorosi dei nuclei atomici. Poiché non possiedono un sistema che scarta automaticamente i segnali elettronici, non soffrono dello stesso problema del soffitto.

Questa differenza permette all'esperimento a camera a bolle noto come PICO-60 di esplorare una vasta regione di possibilità che altri rivelatori non possono raggiungere. Il team ha scoperto che PICO-60 può vincolare la carica elettrica della materia oscura di due ordini di grandezza superiore rispetto agli esperimenti con xenon liquido, e può farlo per particelle con masse fino a un ordine di grandezza maggiore. Questa scoperta chiude efficacemente un grande vuoto nella nostra conoscenza, escludendo una vasta gamma di materia oscura a carica millesimale pesante che era precedentemente non vincolata. Per le particelle con masse al di sotto di una certa soglia, questo risultato colma il divario tra ciò che gli esperimenti di rilevamento diretto possono vedere e ciò che gli esperimenti sui neutrini hanno già escluso.

I ricercatori hanno anche esaminato altri modi in cui la materia oscura potrebbe interagire con la luce, come avere un momento di dipolo magnetico o elettrico, o una dimensione interna specifica nota come raggio di carica. Per questo tipo di interazioni, il problema del "soffitto" non esiste perché i segnali che producono non sovraccaricano i rivelatori allo stesso modo. Il team ha calcolato i limiti anche per questi scenari, estendendo i vincoli noti per le masse della materia oscura fino a 10^17 GeV. Questa è una massa incredibilmente alta, ben oltre ciò che gli attuali collisionatori di particelle possono produrre, spingendo i confini di ciò che sappiamo sui candidati più pesanti di materia oscura.

Guardando al futuro, lo studio delinea ciò che i futuri rivelatori, ancora più grandi, saranno in grado di raggiungere. Esperimenti pianificati per gli anni a venire, come quelli su scala multi-tonnellata DarkSide-20k e DARWIN, potranno sondare ancora più a fondo questo spazio dei parametri. I ricercatori suggeriscono che, perfezionando il modo in cui questi rivelatori analizzano i loro dati, in particolare regolando le regole su cosa costituisce un segnale di fondo, i limiti attuali sulla materia oscura a carica millesimale potrebbero essere spinti ancora più in alto. Sebbene la crosta terrestre e l'atmosfera possano fermare alcune di queste particelle pesanti prima che raggiungano i laboratori sotterranei, i calcoli mostrano che, per i candidati più pesanti, questo effetto è trascurabile. Il lavoro fornisce una tabella di marcia chiara su dove si trovi oggi la ricerca della materia oscura più pesante e debolmente carica e dove debba dirigersi domani.