Eksperimentai "LUX" ir "PandaX", reaguoja į jautrumą, dar nepatenkinti į tamsių dalelių daleles • Igoris Ivanovas • Mokslo naujienos "Elementai" • Astrofizika, fizika

Įrašymo jautrumo jautrumo eksperimentai „LUX“ ir „PandaX“ dar nepatenka į tamsiosios medžiagos daleles

Pav. 1. Detektoriaus LUX darbingumas, kuris bus užpildytas skystu ksenonu. Vaizdas iš luxdarkmatter.org

Neseniai konferencijoje Tamsiosios medžiagos identifikavimas iš karto dvi didelės eksperimentų komandos, LUX ir PandaX, pateikė savo naujus duomenis apie tiesioginę tamsiosios medžiagos dalelių paiešką. Nepaisant įrašymo nustatymo jautrumo, nesudėtingos dalelės niekada nebuvo užregistruotos. Apribojimai sklaidos skerspjūvio viršuje yra keturis kartus geresni, palyginti su ankstesniu įrašu, o pačios kooperacijos rengiasi naujiems stebėjimo seansams.

Tamsiųjų dalelių dalelių paieška: greita nuoroda
Trumpas įvadasŽr. Straipsnį "Kaip ieškoti tamsiosios medžiagos" ("Popular Mechanics", Nr. 3, 2016).
Ir kaip tu jos ieškojai?Jie bando sugauti požeminių detektorių silpnus šviesos blyksimus, atsiradusius kaip iš niekur.
Ir šiek tiek daugiau?Žiūrėkite pirmąją naujienų pusę. "LUX" eksperimentas dar nenustatė tamsiosios medžiagos dalelių.
O ką tu radai?Dar ne; tačiau "DAMA / Libra" teigia, kad tai signalas, tačiau didžioji dauguma mano, kad tai dar vienas poveikis.
Kaip išreikštas rezultatas?Tris dalelės sklaidos pjūvio skerspjūvio pavidalu, esant skirtingoms jų masės vertėms.
Kur kilo šis lankas?ŽrTamsiosios medžiagos dalelių detektorius.
Medžiaga yra rimtesnėV. A. Рябов, V. A. Царев, A. M. Цховребов, 2008. Tamsių dalelių paieškos.
Naujausios naujienos
2015 m. Parengtas didžiausio WIMP paieškos eksperimento detektorius ("N + 1").
2014: Nauji CoGeNT eksperimento duomenys vis dar rodo tamsiosios medžiagos dalelių registravimą.
2013 m. LUX eksperimentas dar nenustatė tamsios medžiagos dalelių.
2011: Nauji įrodymai dėl tamsios medžiagos buvimo? ("Trejybės pasirinkimas").
2009: Tamsi materija su tamsia materija ("Trejybės versija").
2008: DAMA eksperimentas vis dar "mato" tamsiosios medžiagos daleles.
Kokia kita idėja
2015: nauja idėja ieškoti tamsiosios medžiagos šviesiųjų dalelių.
2015 m.: Tamsiosios medžiagos pėdsakai siūlė ieškoti juodųjų skylių ergosferoje ("N + 1").
2015 m .: detektorius ant TKS matė anomalų antiprotonų ("N + 1") perteklių.
2015 m .: "Jie ieškojo ilgą laiką, bet jie to negali rasti …" ("Trejybės pasirinkimas").
2014 m. Galaktikos klasterių spektruose buvo nustatyta nežinomos spinduliuotės linija ir prieštaravimas šiai naujienai: nauji rezultatai nepatvirtina paslaptingos rentgeno spinduliuotės linijos.
2014 m. Numatytas naujas poveikis, svarbus norint aiškinti bandymus su tamsiosios medžiagos dalelių paieška.
2014: Kaip rasti tamsią medžiagą.
2013: pirmieji AMS-02 eksperimento rezultatai yra įdomūs, tačiau jie nesukėlė jausmų.
2013 m. "CROWS" eksperimentas, skirtas hipotetinėms ultralengvinėms dalelėms ieškoti, atnešė neigiamą rezultatą.
2008: Norėdami aptikti tamsią materiją, reikia stebėti galaktikos centrą.

Tamsiųjų dalelių dalelių paieška: bendra perspektyva

Tamsiosios medžiagos dalelių paieška yra viena iš pagrindinių fizikos uždavinių, problema, su kuria susidūrė dvi šiuolaikinio mokslo sritys – mikrografo ir kosmologijos fizika. Remiantis astronominių stebėjimų duomenimis, Visatoje, be žvaigždžių, planetų ir dujų dulkių debesų, yra daug tamsios medžiagos – medžiagos, kurią mes nematome tiesiai į bet kurį elektromagnetinio spektro spektrą, bet kuri "grupuoja" galaktikuose ir jų klasteriuose. Šią medžiagą turėtų sudaryti naujos veislės dalelės, kuriose nėra įprasto elementariųjų dalelių modelio. Bet kokie dalelės yra, kokie yra jų masės, iš kurių jie atsirado iš naujosios fizikos teorijos, dar nežinoma. Mes tik žinome, kad erdvėje yra daug šių dalelių ir kad saulės sistema, važiuodama per galaktiką, jaučia galvos "tamsų vėją", kuris, be kitų dalykų, praeina per Žemę.Tamsiosios medžiagos dalelių paieška yra bandymas sugauti bent kai kuriuos šių dalelių sklaidos įvykius požeminių detektorių atomų.

Tamsiųjų dalelių dalelių aptikimo perspektyvos kritiškai priklauso nuo dviejų parametrų: jų masės ir jų sklaidos skerspjūvio įprastinės materijos atomų. Abu parametrai mums nežinomi ir gali būti labai plati. Tas faktas, kad fizikai dar nepadarė tamsiųjų dalelių dalelių, tik leidžia nustatyti viršaus skerspjūvio ribą skirtingoms masėms, tačiau ji negali visiškai pašalinti jų verčių diapazono.

Iš esmės tam tikra pagalba gali būti teikiama iš teorijos. Teorininkai jau sukūrė šimtus Naujosios fizikos modelių, kuriuose yra dalelių ir kandidatų į tamsią materiją vieta. Populiariausi yra vadinamosios "wimps", hipotetinės silpnai sąveikaujančios sunkiosios dalelės, kurių masė yra šimtai GeV ar TeV. Tačiau kadangi nė viena iš teorijų dar negavo aiškios eksperimento patvirtinimo, jų prognozės tebėra trumpalaikės.

Dėl to dešimtmetis tarp teoretikų ir eksperimentų vyko tam tikru būdu "paslėpti ir ieškoti".Teorininkai pasiūlo naujus "New Physics" modelius, kuriuose numatoma, kad detektoriai artės prie tamsios materijos. Eksperimentai daro dar vieną herojišką pastangą, kartais jie padidina jutiklių jautrumą – ir nieko neranda. Teorininkai, atsižvelgdami į šiuos duomenis ir rezultatus, gautus iš kolektorių, pateikia patobulintus modelius, kuriuose dar kartą numatoma tamsiųjų dalelių dalelių jautrumo jutiklio riba. Eksperimentai daro dar vieną proverį – tačiau jie nieko neranda.

Pav. 2 2012 m. Apibendrinti eksperimentai, susiję su tamsiosios medžiagos dalelių, kurių masė yra iki 1 TeV, paieška, ir supersimetrinių modelių prognozės. Spalvotos linijos – didžiausi skerspjūvio apribojimai, gauti eksperimentuose su neigiamais rezultatais; ryškios dėmės – eksperimentų su teigiamais rezultatais nurodytų parametrų sritys; šviesos dėmės Diagramos apačioje yra teorinės prognozės. Vaizdas iš pdg.lbl.gov (PDF, 250 KB)

Tačiau per pastarąjį dešimtmetį šioje srityje buvo šiek tiek entuziazmo.Detektorių jautrumas artėjo prie regiono parametrų plokštumoje, kurį parodė daugelis teorinių konstrukcijų, įskaitant skirtingas supersimetrinių modelių versijas – ir jie visada teigiamai vertinami teoretikai. Tai yra kelių šimtų GeV ir sklaidos skerspjūvių 1 zeptobarna (1 bb = 10−45 žr2), žr. fig. 2. Naujos tokios masės dalelės buvo tikėtinos jau prasidėjus Didžiojo Hadrono kolektoriaus paleidimo išvakarėms ir, laimingai sutapdami, jutikliai yra jautrūs šiam diapazonui. Todėl fizikai tikėjosi, kad dar vienas spuogas iš eksperimentinių technologijų galiausiai leis pasiekti brangių neišsiskiriančių dalelių.

Pastaruosius trejus metus

Norint padidinti tamsiosios medžiagos dalelių gaudymo galimybes, turite pasiimti didesnį detektorių, įdėkite jį į sąlygas, kuriose nėra pašalinių signalų, ir ilgai sėdėkite ir palaukite. Todėl dvi pagrindinės tamsiosios medžiagos detektorių charakteristikos yra bendras poveikis (ty jautrios medžiagos masė, padauginta iš laiko, paprastai matuojama kg · dienomis) ir tikėtinas klaidingų teigiamų rezultatų lygis (jis remiasi kosminių spindulių apsauga, ultravioletinės spinduliuotės medžiagos naudojimas ir patikima fono ir signalizacijos įvykiai).Prieš dešimtmetį tipinės masės buvo kilogramos, o fono procesų lygis išliko gana didelis, dabar jutikliai dirba su šimtais kilogramų jautrių medžiagų, o klaidingų teigiamų rezultatų skaičius neviršija kelios per metus, o kartais net ir nukrenta iki nulio.

Neseniai "naujienos iš priekio" reguliariai pasirodė populiariosios naujienos (žr. Trumpą informaciją). Iš naujausių atnaujinimų svarbiausia buvo LUX eksperimento, labiausiai jautrių tamsiųjų medžiagų detektorių, kurių masė yra iki tonos, rezultatai ("LUX" eksperimentas dar nenustatė tamsiųjų dalelių dalelių, Elements, 2013-10/31). Šis įrenginys buvo paleistas 2013 m. Viduryje, o pirmojo darbo ciklo trukmė – 85 dienos. Darbinės medžiagos masė centrinėje dalyje, patikimiausia detektoriaus srities analizei (fiduciozinis tūris) buvo 118 kg, o bendras poveikis buvo 10 tūkst. kg · dienų. Spalio pabaigoje, apdorojus duomenis iš šios sesijos, fizikai davė rezultatą: tamsiosios medžiagos dalelės vis dar nematomos, o naujoji viršutinė sąveikos skerspjūvio riba, palyginti su ankstesniuoju rekordo valdytoju, XENON100 eksperimentu, buvo pagerinta du ar daugiau kartų.

Pav. 3 Viršutinė spin-nepriklausomo skerspjūvio dalis tamsiųjų dalelių dalelių, kurių masė yra nuo 2 iki 1000 GeV, nukleonų sklaidai. Kreivė LUX 2014 – pirmasis LUX rezultatas pagal pirmąją sesiją 2013 m .; juoda druska linija – Atnaujintos tų pačių duomenų analizės rezultatas; žalios ir geltonos juostelės – sritys, kuriose, kaip tikimasi, remiantis modeliavimu, ši kreivė turėjo būti išlaikyta. Kitos spalvos linijos – Kitų bandymų su tamsiosios medžiagos dalelių paieška rezultatai. Grafikas iš D.S. Akerib ir kt., 2016 m. Pagerintos perdirbimo apribojimai nuo 2013 m. LUX duomenys

Įdomu tai, kad nors LUX leidinys su šiais duomenimis buvo išleistas 2014 m. Pradžioje, bendradarbiavimo dalyviai ir toliau optimizavo duomenų apdorojimo metodiką ir fono procesų vertinimą. Nuo to laiko jie išmoko dar geriau kalibruoti detektorių (visų pirma, naudojant naują metodą, kuriame naudojamas tričio fermentas, žr. DS Akerib ir kt., 2016. Tritiumas), optimizavo įvykių atkūrimo algoritmą, įgijo patirties suprasti fono įvykius, kuriuos sukelia procesai ant sienos darbo apimtis. Visa tai leido jiems pagerinti detektoriaus jautrumą apie 20% sunkioms tamsiosios dalelės dalims, o kartais ir mažesnėje nei 10 GeV masės zonoje (3 pav.).Apatinė jautrumo riba pasikeitė žemiau 4 GeV, kuri iš pradžių nebuvo skirta ksenono detektoriams. Straipsnis su galutine 2013 m. Ir jau 14 tūkst. Kg · dienų ekspozicijos analize buvo paskelbta neseniai, šių metų balandį (DS Akerib ir kt., 2016 m. Pagerintos perdirbimo ribos nuo 2013 m. LUX duomenys) .

Nauji rezultatai

Techniniu požiūriu, pirmieji LUX rezultatai parodė puikų diegimo ir duomenų analizės algoritmų našumą, todėl liko tik tai, kad reikia būti pacientui ir toliau rinkti duomenis. Naujas LUX sesija prasidėjo 2014 m. Rugsėjo 11 d. Ir baigėsi šiais metais, gegužės 3 d. Grynas stebėjimo laikas šiam laikotarpiui buvo 332 dienos, nes kartais stebėjimai buvo susieti su reguliariais detektorių kalibravimo seanais. Patikimos detektoriaus ploto tomas buvo pasirinktas šiek tiek mažesnis, kurio masė buvo apie 100 kg, o bendras stebėjimo seanso poveikis buvo 33,5 tūkst. Kg · dienų. Tačiau tai yra tris kartus didesnė nei pirmosios sesijos ekspozicija.

Lygiagrečiai su tuo, dar kiti tamsiųjų dalelių dalelių detektoriai toliau buvo pastatyti, išvystyti ir palaipsniui atsirasti iš LUX šešėlio. Taigi, Kinijos detektorius PandaXtaip pat naudojant skystąjį ksenoną kaip jautrią medžiagą, 2014 m. surengė pirmąją kuklią darbo sesiją ir nustatė ribą iš viršaus, kuri tuo metu buvo mažesnė už LUX rezultatus. Tačiau praėjusiais metais fizikai žymiai padidino įrenginio apimtį, smarkiai sumažino foną, o nuo 2016 m. Kovo iki birželio mėn. Atliko naują duomenų rinkinių sesiją ("PandaX-II", "Run 9"). Dėl didesnio veikliosios medžiagos masės negu LUX (visa svoris yra pusė tono, patikimos 300 kg), bendras toks poveikis PandaX-II per tokį trumpą laikotarpį buvo lygus LUX ir sudarė 33,2 tūkst. Kg · dienų.

Atliekant nuo liepos 18 d. Iki liepos 22 d. Šefilde, Jungtinėje Karalystėje vykusią konferenciją "Tamsiosios medžiagos identifikavimas", abi komandos pristatė preliminarius duomenis iš savo paskutinių darbo sesijų. Abu detektoriai užregistravo keletą šimtų (PandaX) ir tūkstančių (LUX) kandidatų įvykių, tačiau visi jie parodė savybes, būdingas radioizotopų skiltims arba įvyko netoli detektoriaus sienų. Iš visų "PandaX" įvykių tik vienas išlaikė visus atrankos kriterijus, o tai buvo leistina riba. LUX atveju, po fono patikrinimo, signalo srityje nebuvo likęs vienas įvykis. Taigi, nė viename iš šių rekordinio jautrumo eksperimentų nebuvo rasta tamsiosios medžiagos dalelių.

Pav. 4 Nauji apribojimai, išdėstyti aukščiau, nuo nugaros nepriklausomo skerspjūvio sklaidai pagal pirmojo stebėjimo seanso "PandaX-II" (kairėje) ir visą dviejų metų LUX sesiją (dešinėje) Aptariami pristatymų vaizdai

Neigiamas abiejų eksperimentų rezultatas leido mums nustatyti net griežtesnius viršutinius skerspjūvio ribas tamsių dalelių dalelėms į nukleonus išsklaidyti (4 pav.). Čia parodytos kreivės atitinka prielaidą, kad sklaidos skerspjūvis nepriklauso nuo nugaros; Ateityje abu bendradarbiavimai žada parodyti apribojimus nuo sukimosi priklausomiems skyriams. PandaX-II eksperimentas padvigubino ankstesnį LUX rezultatą (4 pav., Kairėje), tačiau "LUX" bendradarbiavimas nedelsdamas nutraukė šį pasiekimą (4 pav., Dešinėje). Sunkiausias apribojimas buvo nustatytas 40-50 GeV masėms ir siekė 0,27 zb PandaX-II ir 0,22 zb LUX. Didesnėms dalelėms, kurių masė 200-300 GeV, abu eksperimentai uždarė skerspjūvį virš 1 3b. Jei dabar vėl peržiūrėsite nuotrauką. 2, galima pastebėti, kad "PandaX" ir "LUX" nustatymai giliai įsiveržė į supersimetrinių teorijų prognozavimo sritį ir pradėjo negailestingai uždaryti svarbius laukų parametrų erdvės gabalus.

Planai ateinantiems metams

Kalbant apie ateities planus, vis dar yra daug galimybių tobulėti. Pirma, "PandaX-II" toliau rinks duomenis ir keletą kartų padidins poziciją. Antra, šių metų kovo mėnesį pradėtas rinkti naujas eksperimentas XENON1T, taip pat ksenono detektorius, kurio veikiančios medžiagos masė yra patikimos vienos tonos detektorius. Tokiu mastu fizikai tikisi, kad skalių skalė sumažės dar iki didesnio dydžio, dar maždaug 0,02 zb, o po kelių metų iki 0,002 zb. Galiausiai, nors LUX eksperimentas užbaigė savo darbą, bendradarbiavimas jau planuoja žymiai modernizuoti įrenginį (D.S. Akerib ir kt., 2016. LUX-ZEPLIN (LZ) koncepcinio projekto ataskaita). Naujame LZ detektoriuje bus iki 10 tonų skysto ksenono (5 tonas – patikimo detektoriaus tūris), o kai jis pradės veikti 2020 m., Jis taps jautriausias tamsiosios medžiagos sunkiųjų dalelių paieškos vienetas.

Pav. 5 Pasiektas ir planuojamas (nuo 2013 m.) Didžiausias tamsiosios medžiagos dalelių sklaidos skerspjūvis su įprastine medžiaga. Vaizdas iš D. Bauerio ir kt., 2013 m. Tiesioginio aptikimo WIMP Dark Matter

Pav. 5 apibendrinami pasiekiami ir numatomi viršutiniai ribos masės regione GeV ir TeV. Galima pastebėti, kad dar labiau padidinus ekspoziciją bus galima 2-3 kartus padidinti esamus apribojimus – tai tik technikos klausimas.Tačiau tada bus rimtesnė kliūtis – nuoseklus įvairių kilmės (saulės, atmosferos, kosminės) neutrinų išsiskyrimas atominiuose branduoliuose – bus didinamas jautrumas. Žinoma, šis išsibarstymas yra įdomus savaime, bet dėl ​​tamsiosios medžiagos dalelių paieškos problema tai bus fonas. Kaip atskirti jį nuo numatomo signalo yra sudėtinga ir dar neišspręstina užduotis. Dabar jis vis dar nėra labai svarbus, tačiau jei tamsiosios medžiagos dalelės vis dar nebus matomos per kitą dešimtmetį, ši techninė užduotis bus vis didėjanti.

Šaltiniai:
1) Aaronas Manalaysay ("LUX Collaboration"), tamsioji medžiaga, gaunama iš 332 naujų gyvenimo dienų LUX duomenimis // pranešimas konferencijoje Tamsiosios medžiagos identifikavimas (liepos 18-22 d., Šefildas, Didžioji Britanija), PDF 14 MB.
2) Xiangdong Ji ("PandaX Collaboration"), pirmasis DM paieškos rezultatas iš PandaX-II 500kg LXe detektoriaus // ibid, PDF, 2.6 MB.

Igoris Ivanovas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: