Eksperimentas "LUX" dar nenustatė tamsios materijos dalelių • Igoris Ivanovas • "Mokslo naujienos" "Elementai" • Fizika

LUX eksperimentas dar nenustatė tamsiosios medžiagos dalelių

Pav. 1. Bendroji nauja įrenginio schema, skirta tamsiosios medžiagos dalelių LUX paieškai. Centriniame bake yra 370 kg skysčio ksenono, kuris yra jautri medžiaga šiose paieškose. Vaizdas iš lux.brown.edu

Spalio 30 d. Buvo paskelbti pirmieji LUX rezultatai – naujas bandymas ieškoti tamsiosios medžiagos dalelių. Statistika, sukaupta per tris darbo mėnesius, nesuteikia patikimų tamsiosios medžiagos dalelių rodiklių. LUX nustatyti apribojimai kelis kartus pagerina tai, kas buvo gauta iki šiol.

Tiesioginės tamsiosios medžiagos dalelių paieška

Astrofiziniai duomenys rodo, kad Visatoje, be žvaigždžių, planetų, dujų ir dulkių, yra daug tamsios medžiagos, kuri silpnai sąveikauja su "lengvu" dalyku. Jis užpildo galaktikus ir galaktikų grupes ir susideda iš tam tikrų dalelių, kurios neturi įprasto modelio vietos. Nei masės, nei kitos šių dalelių savybės nėra patikimai žinomos, nors šiuo klausimu yra daug teorijų. Būtų puiku atidaryti šias naujas daleles Didžiojo Hadrono Collider'e, tačiau visi bandymai duoda iki šiol neigiamų rezultatų.

Esant tokiai situacijai, fizikai gali atlikti tik bandymus ieškoti gamtos tamsiosios medžiagos dalelių. Šios paieškos yra tiesioginės ir netiesioginės.Netiesioginės paieškos yra bandymas užregistruoti neįprastą spektrą aukštos energijos fotonų ar kosminių spindulių, kurie ateina į mus iš gilios erdvės. Nepaisant kai kurių įdomių rezultatų, kol kas nėra patvirtintų atradimų, ir šioje naujienoje mes nesvarstysime netiesioginių paieškų. Be to, tamsi materija plaukioja per Žemę dideliais kiekiais. Jei jo dalelės gali kažkaip bendrauti su įprastine medžiaga, tokie susidūrimai kartais turėtų įvykti žemės kolonoje. Tiesioginės tamsiosios medžiagos dalelių paieška tik bando užregistruoti bent vieną tokį susidūrimą laboratorijoje, specialaus požeminio detektoriaus viduje.

Pav. 2 Tamsiosios medžiagos dalelės, prasiskverbiančios detektoriumi, kartais susiduria su veikiančios medžiagos branduoliais ir perduoda joms dalį energijos. Jautrūs jutikliai gali užfiksuoti pačią energijos išsiskyrimą arba atomų jonizaciją ir šviesos blyksnį, kuriuo jis veda. Pavaizduotas užduotis Tamsiųjų dalelių dalelių detektorius

Idėja čia yra paprasta. Jei tamsiosios medžiagos dalelė susiduria su detektoriaus veikiančios medžiagos branduoliu atomyje ir atsipalaiduoja nuo jo, tai suteikia tam tikrą impulsą ir energiją (pav.2). Detektoriaus požiūriu, viskas atrodo taip, tarsi širdis būtų staigiai užstumta kažkas nematomas. Tai lemia mažą energijos kiekį detektoriuje, atomių jonizaciją ir tam tikros dalies fotonų energijos dalies luminescenciją. Visos šios apraiškos bando užregistruoti jutiklius, įrengtus konteineryje, su veikiančia medžiaga.

Skirtingai nuo detektorių, naudojamų eksperimentuose, kuriuose buvo susidurta, kur įvykiai įrašomi daugybe kartų per sekundę, tamsiosios medžiagos detektoriai beveik visada "tyli" ir dirba tik retkarčiais. Ir tai apskritai nėra, nes ten yra nedaug tamsiosios medžiagos dalelių – kai kurios iš jų kas mėnesį plaukia per kiekvieną kvadratinį centimetrą žemės paviršiaus. Tiesiog žemė tamsiosios dalelės dalims yra beveik skaidri. Todėl tamsiosios medžiagos dalelių susidūrimas su detektoriaus medžiaga turėtų būti labai retai, o įprastas eksperimentas su jais rasti yra sėdėti ir palaukti kantriai mėnesius ir metus, bandant panaikinti visus pašalinius triukšmus ir melagingus detektoriaus signalus.

Trys pagrindiniai tamsiųjų dalelių detektorių parametrai, kuriuos galima patobulinti, yra garsumas, radiacijos grynumas ir jautrumas.Su visa apimtis yra aiški: daugiau į jį iš esmės, tuo didesnis pats detektorius, todėl labiau tamsiosios medžiagos dalelės gali skristi per ją už metus, taip pat tiems, su dideliu skaičiumi atomų jie turi galimybę susidurti. Jei pirmieji eksperimentai buvo atliekami su kilogramų masėmis, tuomet naujausiuose detektoriuose jau yra šimtai kilogramų medžiagos, o per keletą metų bus pradėti eksploatuoti tonų svarstyklės.

Tačiau, kadangi apimtis didėja, auga ir fono įvykių skaičius detektoriaus įjungimo atvejai, kurie kyla dėl "žemiškų" priežasčių ir jokiu būdu nesusiję su tamsiųjų dalelių dalelėmis. Visų pirma, kosminių spindulių dalelės gali daryti įtaką detektoriaus darbui, tačiau šis fonas gali būti pašalintas įdiegus detektorių giliai po žeme. Labiau sunku pašalinti radioaktyviųjų izotopų, kurie detektoriuje yra pėdsakai, mažėjimas. Jį galima sumažinti iki minimumo tik esant labai aukštai cheminės medžiagos valymui iš nestabilių izotopų. Tokiu atveju ne tik darbinis detektoriaus korpusas, bet ir visos medžiagos, naudojamos izoliuojančiose sienose ir tachografuose, turėtų būti valomos spinduliuote (žr.Kai kurios naujienų detalės DAMA eksperimentas vis dar "mato" tamsiosios medžiagos daleles, Elements, 2008 m. Balandžio 21 d.).

Galiausiai tamsiųjų dalelių detektoriai taip pat reikalauja didelių signalų ir fono atsparumo jautrumo ir patikimumo. Tai reiškia, kad jutikliai turi sugebėti įrašyti labai mažą energijos išleidimą kažkur darbo aplinkos interjere (t. Y. Atsako slenkstis turi būti mažas), taip pat turėti galimybę tiksliai išmatuoti jo savybes, pvz., Jonizaciją ar silpną šviesos blykstę. Visa tai papildomai padės atskirti foną nuo signalo ir, įrašant kelis įvykius, padidins šio signalo interpretavimo patikimumą kaip tamsios materijos apraišką.

Teoriniai lūkesčiai

Dvi pagrindinės charakteristikos, kurias fizikai nori žinoti registruodami tamsiosios medžiagos daleles, yra jų masė ir sąveika su įprastine medžiaga. Abi vertybės padės suprasti, kur, iš kokios teorijos už standartinės modelio yra šios dalelės. Deja, iki šiol nėra jokių eksperimentinių nuorodų į sritį, kurioje yra šios masės. Tai gali būti labai lengvos dalelės, kurios yra dar lengvesnės negu neutrino, tai gali būti vidutiniškai lengvos dalelės, lengvesnės nei elektronas,tai gali būti sunkiosios dalelės, kurių masės yra dešimtys ir šimtai GeV, ir netgi labai sunkūs, kurie yra visiškai neprieinami šiuolaikiniams eksperimentams. Taip pat neaišku, kokie yra sąveikos skerspjūvio įverčiai; žinoma tik tai, kad ji yra maža, bet kiek maža nėra aiški.

Čia labiausiai domimi vadinamieji WIMP (silpnai sąveikaujantys masyvūs dalelės). Taip vadinamos hipotetinės stabilios neutralios dalelės su masėmis šimtų GeV srityje, kurios truputį supranta silpną sąveiką ar susijusius reiškinius ir sąveikauja su maždaug 10−40÷10−48 žr2. Daugelis šiuolaikinių Naujosios fizikos teorijų numato tokių dalelių egzistavimą. Visų pirma, daugeliui populiarių supersimetrinių modelių taip pat yra kandidatų tamsiai medžiagai, kurių sklaidos skerspjūvis yra 10 laipsnių−44÷10−47 žr2. Žinoma, tai nėra gelžbetonio prognozė, ją taip pat galima išvengti, bet tada supersimetriški modeliai atrodys neprotingi. Bet kokiu atveju, vertės yra apie 10−45 žr2 (arba 1 zeptobarn) yra svarbi riba, per kurią tamsiosios medžiagos paieškos rezultatai bus tokie pat svarbūs supersimetrinėms teorijoms kaip bandymai tiesiogiai pagimdyti šias daleles koladere.

Trumpa paieškų istorija

Padėtis įvyko 2000 m., Kai DAMA eksperimentas, įsikūręs Italijos požeminės laboratorijos "Gran Sasso", kuris po kelių metų duomenų apdorojimo parodė statistiškai reikšmingą periodišką įvykių skaičiaus pasikeitimą. Laikui bėgant, statistiniai duomenys susikaupę, signalas neišnyko, bet tik tapo vis labiau ryškus. Bendradarbiavimas reikalauja, kad jo negalima priskirti jokioms neatskaitytoms klaidoms, todėl šis moduliavimas turėtų būti laikomas pirmuoju tamsiųjų medžiagų dalelių registracijos ženklu. 2008 m. Situacija aprašyta naujienose. DAMA eksperimentas vis dar "mato" tamsiosios medžiagos daleles, Elements, 2008 m. Balandžio 21 d., Ir nuo to laiko jis iš esmės nepasikeitė (iki 2013 m. Statistinė signalo reikšmė jau viršijo 9σ).

Pav. 3 Dabartiniai bandymai ieškoti tamsiosios medžiagos dalelių. Paveikslėlis iš "Direct WIMP" paieškų ataskaitos: "SUSY 2013" konferencijos atnaujinimas (PDF, 47 MB)

Per pastaruosius kelerius metus kai kuriuose kituose eksperimentuose dėl tamsiųjų medžiagų dalelių paieškų taip pat paskelbtas teigiamas rezultatas: tai yra CoGeNT 2010 m., CRESST 2011 m., O galiausiai ir CDMS prieš šešis mėnesius. Tos dalelių masės ir sąveikos skerspjūvio sritys, kurioms šie teigiami rezultatai rodo, yra parodyta Fig. 4 ir 5.

Pav. 4 Tyrimo rezultatų santrauka apie tamsiosios medžiagos dalelių paiešką dalelių masės diagramoje ir jų sąveikos skerspjūviuose. Spalvoti dėmeliai rodo teigiamus kelių eksperimentų rezultatus. Linijos nurodykite viršutines ribas, nustatytas eksperimentais ir gaunant neigiamus rezultatus; sritis virš šių linijų laikoma uždara. Vietovė, kuri yra virš tam tikros linijos, taip pat nesuderinamos spalvos dėmės, rodo, kad šių eksperimentų rezultatai nesutampa tarpusavyje. Vaizdas iš www.preposterousuniverse.com

Nepaisant šio išties teigiamo signalo, mokslinė bendruomenė suvokė visus šiuos potencialiai sensacingus rezultatus, o ne kietas. Tam yra keletas priežasčių. Pirma, nė vienas iš šių rezultatų nėra "gelžbetonis". Visais atvejais teigiamas rezultatas nėra akivaizdus, ​​bet yra kruopščios duomenų analizės, fono atrankos ir įvairių klaidų pašalinimo rezultatas. Deja, elementariųjų dalelių fizikos patirtis rodo, kad, nepaisant visų mokslininkų pastangų, kai kurie foninės ar sisteminės klaidos šaltiniai kartais nepastebi.Antra, būtų puiku, jei šie rezultatai būtų susiję su bet kuriuo vienu masės ir sekcijų sritimi. Tačiau iki šiol paaiškėja, kad šie teigiami rezultatai nėra visiškai suderinami (žr. 4 ir 5 pav.). Ir pagaliau, be šių eksperimentų, taip pat yra ieškoma tamsiosios medžiagos dalelių, kurios davė neigiamų rezultatų. Galbūt čia svarbiausias "žaidėjas" yra XENON100 eksperimentas, kuriame dirba 100 kg skysčio ksenono. Paskutiniai jų rezultatai yra paprasti: nematomos jokios tamsiosios medžiagos dalelių. Šie duomenys leidžia uždaryti didelę parametrų plotą diagramoje, pav. 5, įskaitant visas vertybes, kurios yra paminėtos keturiais "teigiamais" eksperimentais, minėtais aukščiau. Taigi situacija yra visiškai supainioti ir tampa neaišku, kuris iš šių rezultatų turėtų būti patikimas.

Pav. 5 Santrauka nuo 2012 m., Bandymų su tamsiosios medžiagos dalelių paieška masės diapazone iki 1 TeV. Pavadinimai yra tokie patys, kaip ir fig. 4; spalvoti dėmeliai Toliau pateiktose diagramose pateikti apytiksliai regionai, kuriuose supersimimetriniai modeliai numato tamsiosios medžiagos daleles. Vaizdas iš pdg.lbl.gov (PDF, 250 KB)

Žinoma, teoretikai, ir tai nėra kliūtis. Yra tamsiosios medžiagos modeliai, kurių sąveika iš esmės priklauso nuo branduolio, su kuriuo dalelės susiduria, struktūros. Šie modeliai leidžia jums susipažinti bent su kai kuriais rezultatais, tačiau kaina, kurią turite sumokėti, yra šiek tiek nepatogumų ir netgi nenatūralus šių modelių. Vienu ar kitu būdu šios problemos sprendimas, tenkinant daugumą specialistų, dar nėra.

LUX detektorius

Galbūt vienintelis išeitis iš šios situacijos yra technologijų plėtra ir tolesnis tamsiosios medžiagos eksperimentinių paieškų stiprinimas įvairiais būdais. Čia daugiausiai šeimos yra detektoriai, kurių veiklioji medžiaga yra suskystintų inertinių dujų, daugiausia argono ir ksenono. Darbinio skysčio masė pasiekia šimtus kilogramų ir net vieną toną; Ateinančiais metais planuojama šią vertę padidinti keliomis tonomis. Kai kurie iš jų jau pradėjo rinkti statistiką, kai kurie bus uždirbami tik 2014 metais. Todėl po poros metų turėtume tikėtis "naujų" rezultatų derinio ieškant tamsiosios medžiagos dalelių.

Šis detektorius labai tikisi.Pirma, jie pagerins XENON100 eksperimento apribojimus vienu ar dviem dydžiais ir taip išaiškins aukščiau aprašytą klaidinančią padėtį. Antra, šių detektorių jautrumas pirmą kartą leis fizikams nusileisti žemiau 10−45 žr2. Tai suteiks jiems visą galimybę galutinai jausti tamsiosios medžiagos daleles, numatytas populiariais supersimetriniais modeliais (žr. 5 pav.). Kai tik tamsiosios medžiagos detektoriai pateks į šią sritį, jų rezultatai taps tokie pat svarbūs supersimetrinėms teorijoms, kaip bandymai tiesiogiai pagimdyti šias daleles ant koliažero.

Pirmieji požymiai buvo LUX detektoriaus, paskelbto spalio 30 d., Rezultatai. Eksperimento pavadinimas yra lengvai iššifruotas: didelis požeminis ksenonas, "Didžiojo požeminio ksenono" eksperimentas. Šis detektorius yra sumontuotas pusantros kilometro gylyje buvusios Homestake aukso kasykloje, kuri šiuo metu yra Sanford, Pietų Dakotos valstijos Pietų Dakotos metro mokslinių tyrimų centras. Eksperimento darbinis korpusas yra 370 kilogramų skysčio ksenono indas (žr. 1 pav.). Ksenono naudojimo paprastumas yra susijęs ne tik su jo cheminiu inertinumu, bet ir su tuo, kad jis gerai paverčia "poveikį" branduoliui į fotonus, taip pat natūralų spinduliuotės grynumą.Vienintelis nestabilus izotopas, ksenonas-127, ksenone užfiksuojamas kosminių spindulių bombardavimu, tačiau dėl 32 dienų pusėjimo trukmės jo lygis išnyks praėjus metams po darbo. Be to, pastarojo karto ksenoninių detektorių darbe buvo sukaupta didelė patirtis, kuri dabar leis mums patikimai atskirti signalų ir fono įvykius ir patikimai nustatyti detektorius.

Pav. 6 Dviejų fazių ksenono tamsiosios medžiagos detektoriaus veikimo principas. Pirmoji šviesos spinduliuotė atsiranda iš karto, kai tamsiosios medžiagos dalelė susiduria su ksenono branduoliu skystoje fazėje, o antrasis vėliau, kai likę elektronai pasiekia paviršių ir patenka į dujų fazę. Šių blyksčių ryškumo santykis leidžia atskirti signalą nuo fono. Vaizdas iš en.wikipedia.org

LUX detektorius yra tipiškas dviejų fazių ksenono detektorių atstovas (6 pav.). Jame esantis cilindrinis bakas yra užpildytas skystu ksenonu ne iki viršaus, bet tik iš dalies ksenonas yra virš laisvos skystos ksenono paviršiaus dujinis. Kai tamsiosios medžiagos dalelė nukelia branduolį detektoriaus viduje, tai veda prie jonizacijos. Kai kurie jonizaciniai elektronai iš karto generuoja šviesos blykstę (įvykis S1, pav.6), o kai kurie dreifuojami elektriniame lauke, pasiekia skysčio ir dujų sąsają, išeina į dujų fazę ir generuoja antrą šviesos blyksnį (įvykis S2). Abu įvykiai gali būti gerai išmatuojami naudojant fotomultipliuojančią sistemą, kuri leidžia mums nustatyti pradinio poveikio trimačius koordinates ir atskirti signalą nuo fono. Bendradarbiavimo tikslas yra pasiekti išskirtinį gerą signalo ir fono atskyrimą, kuris pagerins dabartinius XENON100 eksperimento rezultatus bent jau iš eilės. Taigi, "LUX" susiduria su ambicinga užduotimi – pradėti iš tikrųjų pajusti tuos tamsiosios medžiagos daleles, kurias prognozuoja daugybė supersimetrinių teorijų variantų.

Pirmieji rezultatai LUX

Spalio 30 d. Specialiu seminare buvo pristatyti pirmieji LUX eksperimento rezultatai, gauti per pirmąjį trijų mėnesių įrengimo etapą nuo 2013 m. Balandžio iki rugpjūčio mėn. Statistinių duomenų rinkimas bus atnaujintas 2014 m. Ir tęsis maždaug metus. Iškart po seminaro pridėtas straipsnis taip pat pasirodė bendradarbiavimo tinklalapyje.

Jei mes atsižvelgsime į visus detektoriaus įjungimo atvejus, tokie įvykiai per tris mėnesius sukaupė beveik 100 mln., Bet beveik visi jie yra fono procesų apraiškos.Taikę visus atrankos kriterijus, iš šios statistikos paliekama tik 160 įvykių, užregistruotų centrinėje detektoriaus dalyje. Didžioji dauguma jų turėtų atitikti naujausią neišvengiamą elektronų fono šaltinį. LUX detektorius sugeba atskirti realius įvykius nuo šio foninio, bet tik statistiškai. Todėl pagrindinis klausimas yra toks: ar visi atrinkti įvykiai gali būti priskirti likusiai fonai, ar ne?

Pasirodo, kad taip galite. Buvo keletas įvykių, kurie, atrodo, buvo nepakankami, tačiau, jei juos išaiškino kaip signalą, jo statistinė reikšmė neviršija 1 sigmos, o tai jokiu būdu nėra nuoroda apie ką nors naujo. Taigi pirmasis bendradarbiavimo rezultatas yra: po trijų operacijų mėnesių nebuvo gauti jokie įrodymai tamsiosios medžiagos dalelių aptikimui.

Pav. 7 Po tris mėnesius nuo 5 GHz iki 5 TEV (kairėje) ir nuo 5 iki 15 GeV (dešinėje) LUX rezultatai žymiai pagerina XENON100 nustatytus apribojimus, taip pat nepatvirtina jokių anksčiau paskelbtų teigiamų signalų. Vaizdai iš diskusijų ataskaitos

Šis neigiamas rezultatas gali būti naudojamas nustatant viršutinę tamsiosios medžiagos dalelių sąveikos skerspjūvio ribą. Šie apribojimai pateikti pav. 7, platus masės intervalas nuo 5 GeV iki 5 TeV (kairėje) ir siauraje srityje nuo 5 iki 15 GeV (dešinėje), kai keli eksperimentai rodo, kad yra stebimas signalas. Kaip matote, po trijų mėnesių darbo LUX sugebėjo žymiai pagerinti visus XENON100 eksperimento rezultatus, kurie vis dar buvo jautrūs. Apie 2 kartus pagerėjimas buvo pasiektas su didelėmis masėmis ir daugiau nei maždaug tokio dydžio, kurių masė mažesnė nei 20 GeV. Tai visų pirma reiškia tai Visi pranešti teigiami rezultatai prieštarauja LUX duomenims..

Kas laukia mūsų ateityje? Išnagrinėjusi visą metinę statistiką, "LUX" bendradarbiavimas galės pagerinti šiuos apribojimus dar penkis kartus. Kartu su tuo, po metų ar dviejų, pradės atsirasti kitų didelio masto eksperimentų dėl tamsiosios medžiagos dalelių paieškos rezultatai. Jei visos šios paieškos rezultatai duos neigiamų rezultatų, supersimetrinių modelių apribojimai ir naujoji fizika apskritai taps dar griežtesni.

Tačiau tuo pačiu metu tamsiosios medžiagos paieškos problema taps dar didesnė.Tai, kad tamsiosios medžiagos dalelės dar nėra matomos tiesioginėse paieškose (tačiau matomos astrofizikos stebėjimuose) reiškia, kad jie turi visiškai skirtingą masę, kurią sunku patikrinti eksperimentais, arba jų sąveikos skerspjūvis yra toks mažas, kad jie nesukuria jokių esami detektoriai yra reikšmingi signalai arba kad jų susidūrimas su medžiaga turi keletą labai egzotiškų savybių. Visais atvejais eksperimentuotojai turės įsivaizduoti, kaip bandyti patikimai aptikti tokias daleles, o teoretikai bando suprasti, ar yra netiesioginių būdų tyrinėti tamsiosios medžiagos daleles be jų tiesioginės registracijos. Bet kokiu atveju ateinančio dešimtmečio padėtis bus tik karšta.

Šaltiniai:
1) D. McKinsey, R. Gaitskell, Pirmieji LUX tamsiosios medžiagos tyrimo eksperimento rezultatai, įvykusio spalio 30 d. Sanfordo laboratorijoje.
2) D.S. Akerib ir kt., "LUX Collaboration", siunčiami į žurnalą Fizinės peržiūros raidės; Prieinama kaip e-print arXiv: 1310.8214.

Taip pat žiūrėkite:
1) Sanfordo underground laboratorijos pranešimas spaudai.
2) V. A. Рябов, V. A. Царев, A. M. Цховребов, "Tamsių dalelių dalelių paieška" // UFN 178, 1129 (2008).
3) DAMA eksperimentas vis dar "mato" tamsiosios medžiagos daleles, Elements, 2008 m. Balandžio 21 d.
4) detektorius tamsiai klausimą, problemą "elementai", paaiškindamas, kad būdingas "squiggle" į eksperimento rezultatus parodyta pav kilmę. 4 ir 5.
5) L. Baudis, Tiesioginės tamsiosios medžiagos aptikimas: kitas dešimtmetis // Tamsios Visatos Fizika 1, 94 (2012); Prieinama kaip e-print arXiv: 1211.7222.
6) D.S. Akerib et al, Didžioji metro ksenono (LUX) eksperimentas // Nimras 704, 111 (2013); Prieinama kaip e-print arXiv: 1211.3788.

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: :???: :?: :!: