Potraga za tamnom materijom čestica dovela nas je do traženja WIMP-ova koji se mogu povući atomskim jezgrama. Suradnja LZ pružit će najbolja ograničenja WIMP-nukleonskih presjeka svih, ali najbolji motivirani scenariji za postojanje čestica pokretanih slabom silom na ili blizu skale elektro slabe snage već čine 100% tamne materije. , (LUX-ZEPLIN (LZ) COLLABORATION / SLAC NACIONALNA ACCELERATORNA LABORATORIJA)

Nada „Čudo WIMP-a“ za tamnu materiju je mrtva

Ali ne bismo se trebali odreći izravnog otkrivanja. Evo zašto.

Tamna materija nije samo najbrojniji oblik materije u Svemiru, već je i najmisteriozniji. Dok sve ostale čestice koje znamo - atomi, neutrini, fotoni, antimaterija i sve ostale čestice u Standardnom modelu - djeluju kroz barem jednu od poznatih kvantnih sila, čini se da tamna tvar djeluje samo putem gravitacije.

Prema mnogima, bilo bi bolje da je nazivamo nevidljivom materijom, a ne tamnom materijom. Ona ne samo da ne emitira i ne apsorbira svjetlost, već ne djeluje ni na jedan od poznatih, izravno detektiranih čestica putem elektromagnetskih, jakih ili slabih nuklearnih sila. Najtraženiji kandidat za tamnu materiju je WIMP: Slabo interaktivna masivna čestica. Velika nada bila je WIMP čudo, veliko predviđanje supersimetrije.

2019 je godina i ta nada sada je propala. Eksperimenti izravnog otkrivanja temeljito su isključili WIMP-ove kojima smo se nadali.

Kad sudarate bilo koje dvije čestice zajedno, ispitivate unutarnju strukturu čestica koje se sudaraju. Ako jedan od njih nije temeljna, već je sastavljena čestica, ovi eksperimenti mogu otkriti njegovu unutarnju strukturu. Ovdje je osmišljen eksperiment za mjerenje signala rasipanja tamne materije / nukleona. Međutim, postoje mnogi prizemni pozadinski prilozi koji bi mogli dati sličan rezultat. Ovaj posebni signal pojavit će se u germaniju, tekućem XENON-u i tekućim detektorima ARGON-a. (PREGLED TEMATSKE PROMETE: PRETRAŽIVANJE KOLIDERA, IZVRŠENO I neizravno otkrivanje - QUEIROZ, FARINALDO S. ARXIV: 1605.08788)

Svemir, iz astrofizičke perspektive, mora biti načinjen od više od obične materije kakvu poznajemo. Normalna tvar, u ovom slučaju, kvalificira se kao bilo koja od poznatih čestica u Standardnom modelu. Uključuje sve što je napravljeno od kvarkova, leptona ili poznatih bozona i uključuje egzotične predmete poput neutronskih zvijezda, crnih rupa i antimaterije. Sva normalna tvar u Svemiru kvantificirana je raznim metodama, a ona iznosi samo otprilike šestinu onoga što u cjelini mora biti prisutno za objašnjenje gravitacijskih interakcija koje vidimo na kozmičkim mjerilima.

Veliki je problem, naravno, što su svi naši dokazi o tamnoj materiji neizravni. Njegove učinke možemo promatrati u astrofizičkoj laboratoriji svemira, ali to nikada nismo otkrili izravno, u laboratoriji ovdje na Zemlji. Ne mislite, nemate na umu, nedostatak pokušaja.

Dvorana B LNGS-a s XENON instalacijama, s detektorom ugrađenim u veliki vodeni štit. Ako postoji taman presjek između tamne i normalne materije, ne samo da će eksperiment poput ovog imati priliku direktno otkrivati ​​tamnu tvar, već postoji vjerojatnost da će tamna tvar s vremenom utjecati na vaše ljudsko tijelo. (INFN)

Ako želite izravno otkriti tamnu tvar, nije tako jednostavno kao detektirati poznate čestice Standardnog modela. Za sve što je napravljeno od kvarkova, leptona ili poznatih bozona, možemo kvantificirati kroz koje sile djeluju i s kojom veličinom. Možemo koristiti ono što znamo o fizici, a posebno o poznatim silama i interakcijama između poznatih čestica, za predviđanje količina poput presjeka, brzine raspada i proizvoda, amplituda raspršenja i drugih svojstava koja smo sposobni mjeriti u eksperimentalnim fizika čestica.

Od 2019. godine susreli smo se s ogromnim uspjehom na onim frontovima koji su potvrdili Standardni model na način o kojem su teoretičari i eksperimentalisti mogli sanjati prije pola stoljeća. Detektori kod sudara i izoliranih podzemnih postrojenja vodili su naprijed.

Čestice i antičestice Standardnog modela sada su izravno otkrivene, a posljednje zadržavanje, Higgsov bozon, palo je na LHC početkom ovog desetljeća. Sve ove čestice mogu se stvoriti LHC energijama, a mase čestica dovode do osnovnih konstanti koje su apsolutno potrebne za njihovo potpuno opisivanje. Te čestice se mogu dobro opisati fizikom teorija kvantnog polja koja su u osnovi Standardnog modela, ali ne opisuju sve, poput tamne materije. (E. SIEGEL / BEZ GALAKSE)

Postoji čitav spektar čestica - i temeljnih i kompozitnih - koje predviđa Standardni model. Njihove interakcije pomoću jakih nuklearnih, elektromagnetskih i slabih nuklearnih sila mogu se izračunati pomoću tehnika razvijenih u kvantnoj teoriji polja, koje nam omogućuju stvaranje i otkrivanje tih čestica na različite načine.

Svaki pojedini kvark i antikvark sada su izravno proizvedeni u akceleratoru, s tim da je gornji kvark, posljednje zadržavanje, pao 1995. godine.

Detektori su vidjeli svaki lepton i antilepton, a tau neutrino (i njegov kolega za antimateriju, tau antineutrino) dovršili su sektor leptona u ranim do sredinama 2000-ih.

I svi su bozoni Standardnog modela stvoreni i otkriveni, s Higgsovim bozonom, posljednjim dijelom slagalice, koji se konačno pojavio na LHC-u 2012. godine.

Prvu robusnu, 5-sigma detekciju Higgsovog bozona najavili su prije nekoliko godina i CMS i ATLAS suradnja. Ali Higgsov bozon ne pravi niti jedan

Razumijemo kako se ponašaju čestice Standardnog modela. Imamo čvrsta predviđanja o načinu na koji bi one trebale komunicirati kroz sve temeljne sile i eksperimentalnu potvrdu tih teorija. Također imamo izuzetna ograničenja u načinu na koji im je dopušteno međusobno komuniciranje na način koji je izvan standardnog modela. Zbog naših ograničenja od akceleratora, kozmičkih zraka, pokusa raspada, nuklearnih reaktora i još mnogo toga, uspjeli smo isključiti mnoge teoretizirane ideje.

Kad je pak riječ o onome što bi moglo činiti tamnu materiju, sve što imamo su astrofizička opažanja i naš teoretski rad u tandemu koji bi nas vodili. Moguće teorije koje smo izmislili uključuju ogroman broj kandidata za tamnu tvar, ali nijedan koji nije dobio eksperimentalnu podršku.

Sile u Svemiru, i mogu li se spojiti s tamnom materijom ili ne. Gravitacija je izvjesnost; svi ostali su ili nisu ili su vrlo ograničeni na razini interakcije. (INSTITUT PERIMETERA)

Najtraženiji kandidat tamne materije je WIMP: Slabo interaktivna masivna čestica. U ranim danima - tj. Još u 1970-ima - shvatilo se da bi neke teorije fizike čestica koje su predviđale nove čestice izvan standardnog modela mogle na kraju stvoriti nove vrste stabilnih, neutralnih čestica ako bi postojala neka nova vrsta pariteta (vrsta simetrija) što ih je spriječilo da propadnu.

To sada uključuje ideje poput supersimetrije, dodatnih dimenzija ili malog Higgsova scenarija. Svi ovi scenariji imaju zajedničku priču:

  • Kad je Svemir rano bio vruć i gust, sve čestice (i antičestice) koje su se mogle stvoriti stvorene su u velikom obilju, uključujući i sve dodatne, izvan standardnog modela.
  • Kad se Univerzum ohladio, te su čestice propadale u postupno lakše i stabilnije.
  • A da je najslađa stabilna (zbog nove simetrije pariteta) i električno neutralna, ona bi se zadržala do danas.

Ako procijenite kolika je masa i presjek tih novih čestica, danas možete dobiti predviđenu gustoću za njihovo procijenjeno obilje.

Da biste postigli ispravno kozmološko obilje tamne materije (os y), za tamnu tvar trebate imati pravi presjek interakcije s normalnom materijom (lijevo) i desna svojstva samo-uništavanja (desno). Eksperimenti izravne detekcije sada isključuju te vrijednosti, što je zahtijevalo Planck (zeleno), negodujući tamnom materijom koja djeluje slabe sile. (P. S. BHUPAL DEV, ANUPAM MAZUMDAR, & SALEH QUTUB, FRONT.IN PHYS. 2 (2014) 26)

Odatle je potekla ideja o WIMP tamnoj materiji. Te nove čestice nisu mogle utjecati jakom ili elektromagnetskom interakcijom; te interakcije imaju previsok presjek i već bi se pokazale. Ali slaba nuklearna interakcija je mogućnost. Izvorno, W u WIMP-u predstavljao je slabu interakciju, zbog spektakularne slučajnosti (koja se pojavljuje u supersimetriji) poznatoj kao WIMP čudo.

Ako stavite u gustoću tamne materije koju danas zahtijeva Svemir, možete zaključiti koliko čestica tamne tvari trebate za određenu masu da biste je nadoknadili. Masovna ljestvica od interesa za supersimetriju - ili bilo koju teoriju koja se pojavljuje na ljestvici elektro slaba - nalazi se u središnjem dijelu od 100 GeV do 1 TeV, tako da možemo izračunati koliki mora biti presjek samo-uništenja kako bi se dobilo pravo obilje tamne materije.

Ta se vrijednost (poprečnog presjeka pomnoženo s brzinom) kreće oko 3 × 10 ^ -26 cm³ / s, što je točno u skladu s onim što biste očekivali ako bi takve čestice djelovale putem sile elektro-slabljenja.

Danas se Feynmanovi dijagrami koriste za izračunavanje svake temeljne interakcije koja obuhvaća jake, slabe i elektromagnetske sile, uključujući u uvjetima visoke energije i niske temperature / kondenziranja. Ako postoji nova čestica koja se spaja na slabu interakciju, oni će na nekoj razini komunicirati s poznatim česticama Standardnog modela, te će stoga imati presjek s protonom i neutronom. (DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL. NUCL.PHYS. B875 (2013) 738–756)

Naravno, ako bilo koje nove čestice djeluju putem elektro-slabe sile, one bi se pridružile i česticama Standardnog modela. Ako se nove čestice spajaju, na primjer, sa W ili Z bozonom (koji nose slabu silu), postoji vjerojatnost da će se te čestice sudariti s bilo kojom česticom na koju se parovi W ili Z spajaju, poput kvark unutar protona ili neutrona.

To znači da možemo konstruirati eksperimente s tamnom tvari u potrazi za nuklearnim povratom poznatih, normalnih čestica materije. Povišenje izvan onih uzrokovanih normalnom materijom bio bi dokaz postojanja tamne materije. Naravno, postoje pozadinski događaji: neutroni, neutrini, radioaktivno raspadajuća jezgra u okolnoj materiji itd. Ali ako znate kombinacije energije i momenta signala koji tražite i pametno dizajnirate eksperiment, možete kvantificirati svoj pozadine i izdvojite svaki potencijalni signal tamne materije koji je možda tamo.

Granice presjeka protona i neutrona iz LUX suradnje, što je učinkovito isključilo posljednji prostor parametara 2000-e za WIMP-ove koji djeluju kroz slabu silu koja je 100% tamne materije. Imajte na umu u svjetlo zasjenjenim područjima u pozadini kako teoretičari stvaraju nova,

Ovi eksperimenti traju već desetljećima i nisu vidjeli nijednu tamnu tvar. Najstroža moderna ograničenja dolaze iz LUX-a (gore) i XENON 1T (dolje). Ti rezultati govore da je presjek interakcije protona i neutrona neobično malen, a različiti su i za scenarije ovisne o spinu i za spinove.

LUX nas je spuštao do granica presjeka ovisnog o spin-u ispod 1.0–1.6 × 10 ^ −41 cm² za protone i neutrone i one neovisne o spin ispod 1.0 × 10 ^ -46 cm²: dovoljno nizak da isključuje sve modele SUSY tamna tvar predložena 2001. godine. Osjetljivije ograničenje sada dolazi od XENON-a: ograničenje ovisnosti o centrifugiranju 6 × 10–42 cm², dok su presjeci neovisni o spinu ispod 4.1 × 10−47 cm², dodatno zatežući vijke. ,

Presjek WIMP / nukleon neovisan o spinu sada dobiva svoje najstrože granice od eksperimenta XENON1T, koji se poboljšao u svim prethodnim eksperimentima, uključujući LUX. Iako će teoretičari i fenomenolozi bez sumnje i dalje stvarati nova predviđanja s manjim i manjim presjecima, ideja o WIMP čudu izgubila je svu razumnu motivaciju eksperimentalnim rezultatima koje već imamo u ruci. (E. APRILE ET AL., PHYS. REV. LETT. 121, 111302 (2018))

Ovo je drugačije mjerenje od toga da se čestice tamne materije samostalno uništavaju, ali to nam mjerenje govori nešto nevjerojatno vrijedno. Ovi su eksperimenti isključeni modeli supersimetrije ili dodatnih dimenzija koji daju pravo obilje tamne tvari kroz slabe interakcije. Ako postoji tamna tvar WIMP, ona mora biti slabija nego što slaba interakcija dopušta da sadrži 100% tamne materije. Uz to, LHC ga ne smije detektirati.

Teoretičari uvijek mogu prilagoditi svoje modele i to su učinili toliko puta, gurajući predviđeni presjek prema dolje i prema dolje kao nulani rezultat nakon što se pojavi nula rezultata. Međutim, to je najgora vrsta znanosti koju možete učiniti: jednostavno premještanje ciljeva za ne fizički razlozi osim vaših eksperimentalnih ograničenja postali su stroži. Nema više nikakve motivacije, osim preferiranja zaključka kako podaci isključuju, čineći to.

Bilo je ogromno mnoštvo potencijalnih novih potpisa fizike koje fizičari traže na LHC-u, od dodatnih dimenzija do tamne materije do supersimetričnih čestica do mikro crnih rupa. Unatoč svim podacima koje smo prikupili od ovih visokoenergetskih sudara, nijedan od ovih scenarija nije pokazao dokaze koji potvrđuju njihovo postojanje. (CERN / ATLAS EXPERIMENT)

Ali izvođenje ovih eksperimenata s izravnim otkrivanjem je i dalje nevjerojatno vrijedno. Postoje i drugi načini proizvodnje tamne materije koji nadilaze najčešće konvencionalni scenarij. Nadalje, ta ograničenja ne zahtijevaju tamnu materiju koja nije WIMPy. Mnogi drugi zanimljivi scenariji ne trebaju čudo WIMP-a.

Mnogo desetljeća znalo se da "W" ne stoji za slabu interakciju, već da zagovara interakciju ne jaču od onoga što dopušta slaba sila. Ako imamo nove čestice izvan standardnog modela, dozvoljeno nam je da imamo i nove snage i interakcije. Eksperimenti poput XENON-a i LUX-a jedini su nam način za ispitivanje.

Uz to, kandidati od tamne materije koji su proizvedeni različitim mehanizmom u nižim rasponima masa, poput sjekira ili sterilnih neutrina, ili samim gravitacijskim interakcijama pri većim masama, poput WIMPzilasa, igraju jako puno.

Kriogene postavke jednog od pokusa koji žele iskoristiti hipotetičku interakciju za kandidata koji nije WIMP tamne materije: aksion. Aksije, ako su tamna tvar, mogu se pretvoriti u fotone pomoću elektromagnetske interakcije, a ovdje prikazana šupljina dizajnirana je za ispitivanje te mogućnosti. Međutim, ako tamna tvar nema specifična svojstva na koja se testiraju trenutni eksperimenti, nijedan detektor koji smo izgradili nikada je neće pronaći izravno. (EKSPERIMENT ZA MASU AXION MARKTER (ADMX) / FLLKLR LLNL-a)

Naš lov na tamnu tvar u laboratoriju, naporima izravnog otkrivanja, i dalje postavlja važna ograničenja u tome što fizika može biti prisutna izvan standardnog modela. Za one koji su udani za čuda, pozitivni rezultati sada izgledaju malo vjerovatno. Ta potraga sada podsjeća na pijanog koji je tražio svoje izgubljene ključeve ispod lampe. Zna da ih nema, ali to je jedino mjesto gdje svjetlost koja mu omogućuje da izgleda.

Čudo WIMP-a može biti mrtvo i nestalo, jer čestice koje međusobno djeluju slabom silom na skali elektro-slabljenja nisu pogodile oba sudara i izravno otkrivanje. Ideja tamne materije WIMP, međutim, živi dalje. Moramo se samo sjetiti kada čujemo WIMP, uključujemo tamnu tvar koja je slabija i vlažnija nego što to dopuštaju čak i slabe interakcije. U Svemiru nesumnjivo postoji nešto novo što čeka da bude otkriveno.

WIMP čudo je završeno. Ali mi se možda i najbolje čujemo od svih: ako ovi eksperimenti otkriju nešto izvan nultu rezultata. Jedini način da to znate je da potražite.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.