Detecção de fótons escuros gerados por bremsstrahlung de múons no experimento COSINE-100

Autor(es)

David Fernando Freitas da Silva Cavalcante

• Tipo de documento: Dissertação de Mestrado
• Imprenta: São Paulo.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Instituto de Física (IF/SBI)
• Data de defesa: 2024-09-10

Membros da banca

Nelson Carlin Filho; Mauro Rogerio Cosentino; Carlos Frajuca

• Orientador: Nelson Carlin Filho

Resumo

A existência de matéria escura se apoia em profusas evidências oriundas de observações astrofísicas, as quais, no entanto, consistem em fenômenos gravitacionais. Com isto, a única interação conhecida entre matéria escura e matéria bariônica é a gravitacional, se fazendo necessário estabelecer a existência (ou inexistência) de todos os outros possíveis tipos de interação para conhecer completamente sua natureza. Por esta razão, variadas teorias foram produzidas a fim de descrever as propriedades das partículas de matéria escura, além de experimentos elaborados para testá-las. Há algum tempo, a teoria melhor aceita pela comunidade científica é a das WIMPs, existindo diversos experimentos que buscam por elas e, no entanto, não obtiveram resultados conclusivos quanto à sua detecção. Isto motiva a busca por outras partículas candidatas, dentre as quais estão fótons escuros e áxions, principais modelos de matéria escura bosônica. Estudos sobre esses modelos estão cada vez mais numerosos, em grande parte devido a tecnologias mais recentes que aumentam a sensibilidade dos detectores desenvolvidos para experimentos que buscam por essas partículas, com potencial de fornecer restrições mais precisas a seus parâmetros em relação às obtidas de observações astrofísicas. Um destes experimentos é o COSINE-100, situado no laboratório subterrâneo de YangYang, Coreia do Sul. Este opera desde 2016 e utiliza como principais detectores 106 kg de cristais de NaI(Tl). Um grande desafio para este tipo de experimento é a separação de eventos procurados dos sinais de fundo na região de interesse, especialmente sinais de múons, o que evidencia a abundância dessa partícula nos raios cósmicos. Porém, há um modelo que prevê o acoplamento cinético entre múons e fótons escuros, os quais podem desacoplar caso o múon sofra bremsstrahlung em algum alvo, podendo ser detectado direta ou indiretamente. Embora o experimento COSINE-100 tenha sido planejado inicialmente para a busca por modulação anual de matéria escura, ele possui recursos para a procura por excesso de eventos em seus detectores, possibilitando então testar este modelo do fóton escuro. O objetivo deste trabalho é, portanto, o estudo dos dados do COSINE-100 à procura de eventos causados por fótons escuros gerados por bremsstrahlung de múons, dada a abundância dessas partículas na superfície terrestre. Foram estudadas cinco possibilidades de detecção: direta, via espalhamento Compton-like e absorção, e indireta, via decaimento em 3 fótons (para massas menores que 2m_e ), decaimento em pares elétron-pósitron (para massas maiores que 2m_e ) e oscilação em fótons (também para massas menores que 2m_e ). Foi constatado que, ao considerar o fluxo de fótons escuros gerados em toda a superfície terrestre, espera-se um máximo de 10^(-5) eventos detectáveis por dia, por keV depositado nos cristais de NaI(Tl) e por kg de massa destes. Além disto, estimou-se que mais de 1 evento detectável por ano deve ocorrer para massas entre 10 keV e 1 MeV, e entre parâmetros de acoplamento entre 10^(-4) e 10^(-2) . Por fim, a análise dos dados experimentais (do SET3 do COSINE-100) em single hit (até 100 keV) nos cristais mostraram que os espectros de detecção calculados com as maiores amplitudes são entre 10^5 e 10^6 vezes menores que o necessário para gerar um sinal, com 90% C.L. Em suma tais estimativas não fornecem boas perspectivas de detecção de excesso de eventos. No entanto, análises dos eventos em multiple hit podem ser feitas na tentativa de restringir o espaço de parâmetros do fóton escuro, caso a amplitude dos espectros calculados seja grande o suficiente (em relação ao fundo presente) para energias maiores. (AU)

• Processo FAPESP: 22/12002-7 - Detecção de fótons escuros gerados por Bremsstrahlung de múons no experimento COSINE-100
• Beneficiário: David Fernando Freitas da Silva Cavalcante
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Mestrado