Busca pela matéria escura: fótons escuros e áxions solares no experimento COSINE-100 - França, Luis Eduardo Funo de Moura (2022)
Diversas observações astrofísicas evidenciam a existência da matéria escura no universo. Entretanto, apenas sua interação gravitacional com a matéria bariônica é conhecida, sendo necessário o entendimento de outras interações a fim de compreender sua natureza. Inúmeras teorias foram desenvolvidas com o intuito de explicar as propriedades das partículas de matéria escura, sendo o principal candidato já há alguns anos os WIMPs. Apesar de diversos experimentos ao redor do mundo procurarem pelos WIMPs, nenhum obteve resultados positivos contundentes até o momento, incentivando a busca por outros candidatos à matéria escura. Em especial, candidatos à matéria escura bosônica, cujos principais exemplos são os fótons escuros e áxions, vêm atraindo atenção em estudos recentes, principalmente pelo fato de detectores modernos começarem a ter sensibilidade suficiente para serem competitivos com limites superiores estabelecidos por observações astrofísicas. Um destes experimentos é o COSINE-100, localizado no laboratório subterrâneo de YangYang na Coreia do Sul, cujos principais detectores são 106 kg de cristais de NaI(Tl), e está em operação desde 2016. A principal fonte de matéria escura bosônica na Terra seria o Sol, sendo responsável pelos principais limites superiores determinados por observações astrofísicas nos modelos dos fótons escuros e áxions com massa abaixo de 1 keV. Até o momento, experimentos vêm pesquisando a matéria escura solar procurando por um excesso de eventos em seus detectores. No entanto, em experimentos com alguns anos de dados, também é possível buscar por uma modulação anual na taxa de eventos medida, decorrente do movimento de translação terrestre. O foco deste trabalho é o estudo dos dados de cerca de 3 anos do COSINE-100, nos quais foram procurados eventos decorrentes de fótons escuros e áxions nos cristais de NaI(Tl). Foram estudados três modelos para a matéria escura solar através da procura pela modulação anual: fótons escuros, áxions DFSZ e KSVZ, e áxions de Kaluza-Klein. Como as modulações esperadas para cada modelo não foram encontradas nos dados, limites superiores para a massa das partículas de cada modelo, e para a constante de acoplamento cinético, no caso dos fótons escuros, para a constante de acoplamento entre áxions e elétrons, no caso dos áxions DFSZ e KSVZ, e para a constante entre áxions e fótons, no caso dos áxions de Kaluza-Klein, foram determinados. Além disso, foi procurado um excesso de eventos gerados pelo decaimento de fótons escuros provenientes da interação inelástica da Boosted Dark Matter com o cintilador líquido do COSINE-100. Neste caso, também não foram encontrados eventos além dos esperados para o fundo.