Threshold effects of inelastic neutrino-dark-matter scattering in AGN spikes

Diep in de centra van sommige sterrenstelsels fungeren supermassieve zwarte gaten als kosmische motoren, die deeltjes versnellen tot energieën die ver boven wat een machine op aarde kan creëren liggen. Deze motoren schieten hoogenergetische neutrino's uit, spookachtige deeltjes die zelden met iets interageren, waardoor ze het universum kunnen doorkruisen en onze detectoren kunnen bereiken. Rond deze zwarte gaten vermoeden astronomen dat donkere materie — de onzichtbare substantie die het grootste deel van de massa van het universum vormt — zich in ongelooflijk dichte wolken kan ophopen. Als deze wolken bestaan, zouden de neutrino's die door hen heen reizen tegen de deeltjes donkere materie moeten botsen. Door te bestuderen hoe deze neutrino's veranderen terwijl ze reizen, hopen wetenschappers te leren waar donkere materie uit bestaat en hoe het zich gedraagt.

Een team onderzoekers heeft nu een specifieke manier verkend waarop deze interactie zou kunnen plaatsvinden, waarbij ze zich concentreerden op een scenario waarin een neutrino een deeltje donkere materie raakt en het in een zwaardere, aangeslagen toestand stoot. In tegen tegenstelling tot eerdere ideeën waarbij de botsing een zachte stuiter zou kunnen zijn die de snelheid van het neutrino nauwelijks verandert, vereist dit nieuwe scenario dat het neutrino een specifieke, minimale hoeveelheid energie verliest om de sprong te maken. De onderzoekers gebruikten gegevens van de IceCube Neutrino Observatory in Antarctica, die een constante stroom van deze hoogenergetische deeltjes heeft gedetecteerd die afkomstig zijn van een sterrenstelsel genaamd NGC 1068. Ze bouwden een gedetailleerd computermodel om te simuleren wat er zou gebeuren als deze neutrino's door een dichte piek van donkere materie rond het centrale zwarte gat van het sterrenstelsel zouden reizen, waarbij rekening werd gehouden met het feit dat de deeltjes donkere materie niet alleen zouden terugkaatsen, maar ook van interne toestand zouden veranderen.

De studie onthult dat als dit type botsing plaatsvindt, het een zeer duidelijke vingerafdruk achterlaat op het neutrino-signaal. Omdat elke botsing het neutrino dwingt om ten minste een bepaalde hoeveelheid energie te verliezen, zal het aantal neutrino's dat aankomt met energieën net boven die limiet scherp dalen. Tegelijkertijd zullen de neutrino's die energie hebben verloren, zich net onder die limiet ophopen, wat een opvallende kloof en een opbouw in het energiespectrum creëert. Dit is anders dan andere typen botsingen waarbij het energieverlies zo klein en variabel is dat het signaal wordt weggespoeld. De onderzoekers berekenden exact hoe deze kloof en opbouw eruit zouden zien voor verschillende groottes van het energieverlies en verschillende breedtes van de interactie. Ze vonden dat zelfs als de deeltjes donkere materie bewegen, wat het effect licht vervaagt, de signatuur duidelijk genoeg blijft om geïdentificeerd te worden.

Wanneer het team hun voorspellingen vergeleek met de werkelijke gegevens van IceCube, vonden zij geen bewijs voor deze scherpe kloof of opbouw. De neutrino's die aankomen van NGC 1068 volgen een vloeiend patroon dat overeenkomt met de standaardverwachting van geen interactie met donkere materie. De afwezigheid van dit voorspelde kenmerk stelt de wetenschappers in staat om strikte limieten te stellen aan hoe vaak deze botsingen zouden kunnen plaatsvinden. Ze bepaalden dat de waarschijnlijkheid dat een neutrino op deze manier met donkere materie interageert, zeer laag moet zijn, specifiek door scenario's uit te sluiten waarin de interactie sterk genoeg is om de stroom van deeltjes aanzienlijk te veranderen. Hun analyse toonde aan dat voor een nauwe reeks energieverliezen de interactiekracht kleiner moet zijn dan een bepaalde waarde, en voor een bredere reeks is de limiet zelfs nog strenger.

De onderzoekers keken ook naar gegevens van twee andere kosmische bronnen, een sterrenstelsel genaamd CGCG 420-015 en een blazar genaamd TXS 0506+056, om te zien of het combineren van de informatie een signaal zou onthullen dat te zwak is om in een enkele bron te zien. Hoewel de gegevens van deze andere bronnen een zeer lichte, statistisch insignificante hint vertoonden die de aanwezigheid van een dergelijk kenmerk zou kunnen ondersteunen, bevestigde de gecombineerde analyse dit niet. In plaats daarvan versterkte de gezamenlijke analyse de conclusie dat als deze botsingen plaatsvinden, ze zeer zelden plaatsvinden. De studie verkleint effectief de zoektocht naar donkere materie door aan te tonen dat dit specifieke type inelastische verstrooiing niet de dominante kracht is die de neutrino-signalen die we vandaag de dag zien, vormgeeft.

Uiteindelijk biedt het werk een krachtig nieuw instrument om theorieën over donkere materie te testen. Door aan te tonen dat een specifieke energiedrempel een unieke en waarneembare verstoring in de neutrino-stroom creëert, hebben de onderzoekers experimenteel werk een duidelijk doelwit gegeven om naar te zoeken. Ondanks dat zij het signaal niet vonden, is het feit dat zij precies konden berekenen waar men moest kijken en hoe sterk het signaal zou zijn, een belangrijke stap voorwaarts. Het betekent dat toekomstige waarnemingen met gevoeliger detectoren ofwel deze interactie met donkere materie kunnen vinden, ofwel deze volledig kunnen uitsluiten, wat helpt bij het oplossen van het mysterie van wat donkere materie is. De studie bevestigt dat het universum deze specifieke soort interactie niet verbergt in de gegevens die we tot nu toe hebben, en breidt de grenzen van ons begrip van de onzichtbare materie die de meest krachtige objecten in het heelal omringt.