Journal Article GSI-2023-00113

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Measurement of anti-$^3$He nuclei absorption in matter and impact on their propagation in the Galaxy.

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2023
Nature Publishing Group Basingstoke

Nature physics 19(1), 61-71 () [10.1038/s41567-022-01804-8]

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Report No.: CERN-EP-2022-023; arXiv:2202.01549

Abstract: In our Galaxy, light antinuclei composed of antiprotons and antineutrons can be produced through high-energy cosmic-ray collisions with the interstellar medium or could also originate from the annihilation of dark-matter particles that have not yet been discovered. On Earth, the only way to produce and study antinuclei with high precision is to create them at high-energy particle accelerators. Although the properties of elementary antiparticles have been studied in detail, the knowledge of the interaction of light antinuclei with matter is limited. We determine the disappearance probability of $^{3}\overline{\rm He}$ when it encounters matter particles and annihilates or disintegrates within the ALICE detector at the Large Hadron Collider. We extract the inelastic interaction cross section, which is then used as input to calculations of the transparency of our Galaxy to the propagation of $^{3}\overline{\rm He}$ stemming from dark-matter annihilation and cosmic-ray interactions within the interstellar medium. For a specific dark-matter profile, we estimate a transparency of about 50%, whereas it varies with increasing $^{3}\overline{\rm He}$ momentum from 25% to 90% for cosmic-ray sources. The results indicate that $^{3}\overline{\rm He}$ nuclei can travel long distances in the Galaxy, and can be used to study cosmic-ray interactions and dark-matter annihilation.

Keyword(s): cosmic radiation: interaction ; dark matter: decay ; cross section: measured ; propagation ; galaxy ; transparency ; antinucleus ; CERN LHC Coll ; anti-p ; anti-n ; accelerator ; absorption ; antimatter ; ALICE ; annihilation ; antiparticle ; experimental results

Classification:

Note: 27 pages, 5 captioned figures, authors from page 22, published version, figures at http://alice-publications.web.cern.ch/node/7639SCOAP3 ccby4.0

Contributing Institute(s):
  1. ALICE (ALI)
  2. Detektorlabor (DTL)
  3. IT (CIT)
  4. ExtreMe Matter Institute, EMMI (EXM)
  5. Collaboration CERN: ALICE (ALICE@CERN)
Research Program(s):
  1. 612 - Cosmic Matter in the Laboratory (POF4-612) (POF4-612)
  2. HGS-HIRe - HGS-HIRe for FAIR (HGS-HIRe) (HGS-HIRe)
  3. SUC-GSI-Heidelberg - Strategic university cooperation GSI-U Heidelberg (SUC-GSI-HE) (SUC-GSI-HE)
  4. SUC-GSI-Frankfurt - Strategic university cooperation GSI-U Frankfurt/M (SUC-GSI-FR) (SUC-GSI-FR)
  5. SUC-GSI-Darmstadt - Strategic university cooperation GSI-TU Darmstadt (SUC-GSI-DA) (SUC-GSI-DA)
Experiment(s):
  1. LHC: ALICE

Appears in the scientific report 2022
Database coverage:
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Private Institute collections > >WGF > >RED > EXM
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Infrastructure > Detector Laboratory
Workflow collections > Public records
HQM/MU > ALICE
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EMMI


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First measurement of the absorption of $^{3}\overline{\rm He}$ nuclei in matter and impact on their propagation in the galaxy
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 Record created 2023-01-11, last modified 2024-03-25