Speuren naar donkere materie in de aardkern levert nieuwe limiet op voor WIMP’s

Credit: IceCube Collaboration

Je zou het niet verwachten, maar ook onze eigen aardkern is een plek om te zoeken naar donkere materie, de mysterieuze onzichtbare substantie die zo’n 85% van alle materie in het heelal vormt. Voor het bestaan er van zijn al vele indirecte, maar op waarnemingen gebaseerde aanwijzingen, maar directe detectie van de deeltjes die donkere materie (DM) vormen is nog nooit gelukt. De vaste aardkern zou ook een plek zijn, waar die hypothetische deeltjes kunnen verblijven. Daar zouden zich in de compacte, hete omgeving weakly interacting massive particles (WIMP’s) kunnen bevinden, naast axionen en steriele neutrino’s één van de kandidaat-deeltjes waaruit DM kan bestaan. Maar ja, hoe onderzoek je deeltjes die niet reageren en die zich pakweg 6000 km onder je voeten bewegen? Nou, daar is de IceCube neutrinodetector een uitstekend apparaat voor. In theorie zouden WIMP’s namelijk héél af en toe met elkaar interactie kunnen aangaan en dan annihileren, waarna het als volgt kan vervallen:

Credit: Gao Linqing and Lin Sujie

Rechts de deeltjes die dan kunnen ontstaan. Die zullen door de zwaartekracht allemaal ‘gevangen’ blijven in de aardkern, behalve de… neutrino’s! Die deeltjes reageren ook niet op de sterke en elektromagnetische wisselwerking, behalve dan met de zwakke wisselwerking, en dat betekent dat ze met gemak door een lichtjaar stuk lood kunnen vliegen. Zij kunnen makkelijk uit de aardkern ontsnappen. IceCube is een detector op de Zuidpool, die gebouwd is om neutrino’s te detecteren, zoals geschetst in de afbeelding bovenaan. En als IceCube vanuit de richting van de aardkern een overschot aan neutrino’s zou zien dan zou dat kunnen wijzen op DM-annihilatie als bron. Welnu, recent hebben onderzoekers waarnemingen geanalyseerd die gedurende meer dan tien jaar zijn gedaan met IceCube en het resultaat is dat er géén overschot aan neutrino’s werd ontdekt. Op grond hiervan hebben ze berekend dat WIMP’s niet meer massa dan 100 GeV kunnen hebben, een grens die eerder ook al bij andere experimenten is geconstanteerd.

Meer informatie vind je in het vakartikel van Giovanni Renzi et al, Search for dark matter annihilations in the center of the Earth with IceCube, arXiv (2023).

Bron: Phys.org.

Gerelateerde Astroblogs:

Verband ontdekt tussen de donkere materie en de klonterigheid van materie in het heelal Astronomen stellen een ‘spiegeluniversum’ voor als mogelijke verklaring voor donkere materie De oermagnetische velden van het heelal zouden in beeld kunnen worden gebracht door donkere materie