Siūloma nauja idėja ieškoti lengvų tamsiosios medžiagos dalelių • Igoris Ivanovas • Mokslinės naujienos apie "Elementus" • Fizika, astrofizika

Siūloma nauja idėja ieškoti šviesių tamsiosios medžiagos dalelių.

Pav. 1. Labai jautrūs energijos jutikliai, pvz., Čia pavaizduoti superlaidieji mikroskopiniai bolometrai kartu su dideliu tūriniu superlaidžiu, gali sukelti proveržio ieškant tamsiosios medžiagos šviesos dalelių. Vaizdas iš laserfocusworld.com

Tamsiųjų dalelių, kurių masė mažesnė nei 1 GeV, paieška yra išskirtinio techninio sudėtingumo uždavinys. Nė vienas iš egzistuojančių tokių dalelių detektorių nėra nejautrus. Amerikiečių teoretikų straipsnis siūlo idėją sukurti naują superlaidžiųjų jutiklį, kuris leis jaustis tamsiosios dalelės su masėmis mega-elektronų voltose ir netgi kiloelektroninių voltų diapazonuose, tokiu būdu išplėsdamas paieškos plotą 4-5 kartų.

Sunkumų rasti tamsiosios medžiagos daleles

Tamsiosios medžiagos dalelių paieška yra nelaimingas uždavinys. Galite pasiūlyti puikią eksperimentinę idėją, įdėti naują labai tikslų eksperimentą, tačiau jei nėra tamsių dalelių su numatomomis savybėmis gamtoje, eksperimentas parodys nulinį rezultatą. Kolegos išreikšti pasididžiavimą savo išradingumu, pat jus ant peties, bet tada jie eis ieškoti tamsios medžiagos.

Šios situacijos priežastis yra ta, kad fizikai žino tik labiausiai paplitusią informaciją apie tamsią materiją. Žinoma, kiek tai yra visatoje, kaip apytikriai jis paskirstomas ir daugiau ar mažiau su tuo, su kokiu greičiu judi tamsiosios medžiagos dalelės (netoli saulės sistemos – maždaug viena tūkstantoji greičio šviesa). Tačiau nei tamsiosios medžiagos dalelių masė, nei jų tarpusavio sąveikos pobūdis ir įprastas dalykas nėra visiškai žinomi. Net lieka klausimas, ar šios dalelės yra visiškai stabilios, ar jie tiesiog gyvena labai ilgą laiką, panašią į visatos amžių.

Priklausomai nuo sąveikos masės ir pobūdžio, tamsiosios medžiagos daleles galima ieškoti naudojant įvairius metodus, tačiau bendra schema yra tokia. Tamsiosios medžiagos dalelių srautas "pučia" per Žemę, tačiau dėl to, kad jų sąveika su įprastais daiktais yra maža tikimybė, mes nepastebiame šio srauto. Tik labai retai tamsiosios medžiagos dalelė susiduria su atomu, perduodama jai dalį savo kinetinės energijos (2 pav.). Eksperimento atveju jis atrodo taip: atsigaivinęs detektorius, kažkur giliai garsu, vienas iš atomų staiga sujudėjo, tarsi jis įtrūktų.Šio proveržio energija yra nedidelė, tačiau jei detektorius yra pakankamai jautrus ir nėra triukšmo, jis galės užregistruoti tokį įvykį.

Pav. 2 Tamsiosios medžiagos dalelės, prasiskverbiančios detektoriumi, kartais susiduria su veikiančios medžiagos branduoliais ir perduoda joms dalį energijos. Detektorius registruoja energijos išleidimą ir taip užfiksuoja įvykį. Pavaizduotas užduotis Tamsiųjų dalelių dalelių detektorius

Problema ta, kad eksperimentuotojai iš anksto nežino, kiek energijos išleidžiamas viename tokio įvykio metu, ar kaip dažnai jie turėtų atsirasti, ar ką tiksliai tamsiosios medžiagos dalelės geriausiai sąveikauja. Todėl fizikai atlieka visus eksperimentus, kuriuos jie sugeba įdėti, stengdamiesi padengti kuo didesnę plotą dviejų pagrindinių parametrų plokštumoje – tamsiosios medžiagos dalelių masės ir jų sklaidos skerspjūvių su įprastine medžiaga (žr. Išsamią naujienų istoriją. LUX eksperimentas dar neatrodė tamsiosios medžiagos dalelių, "Elements", 2013-10/31). Pav. 3 parodyta dabartinė padėtis. Galima suprasti, kad jutikliai jaučia tamsiosios dalelės daleles, kurių masė yra dešimtys GeV. Dėl lengvesnių dalelių, ypač regione, mažesnėje nei keletą GeV, detektoriaus jautris smarkiai sumažėja.Ši priklausomybė buvo išsamiai išnagrinėta tamsiųjų dalelių dalelių užduoties jutiklyje, ir čia, atsižvelgiant į tolesnę diskusiją, yra naudinga suprasti, kur ši riba kilusi – kelios GeV.

Pav. 3 Dabartiniai tamsiosios dalelės sklaidos masės ir skerspjūvio apribojimai, gauti įvairiais eksperimentais. Uždaros teritorijos yra didesnės spalvoti kreiviai. Tačiau kai kurie eksperimentai duoda teigiamų rezultatų; jie rodomi šviesūs ovalai. Nereguliarios formos sritys Apatinėje grafiko dalyje yra įvairių teorinių modelių prognozės. Diagrama iš dalelių fizikos apžvalgos K. A. Olive ir kt. ("Dalelių duomenų grupė"), 2014 m. "Dark matter"

Energijos išleidimas detektoriuje

Ši riba nustatoma paprastomis susidūrimo mechanikomis, taip pat energijos išleidimo jutiklių jautrumu. Pažvelk į picą. 4. Tamsiosios medžiagos dalelė, kurios masė, tarkim, mX = 10 GeV, o 1/1000 greičio šviesos greičiui kinetinė energija yra 5 keV. Kai susiduria su branduoliu, jis perduoda nedidelę šios energijos dalį, ypač jei branduolys yra sunkus (šviesiai raudonos rodyklės). Dėl to energija išleidžiama detektoriuje.D apie 1 keV, o tai yra pakankamai šimtų atomų jonizacija ir įvykio registracija (žrNaujų CoGeNT detektoriaus pavyzdžių technologijos naujienos Nauji CoGeNT eksperimento duomenys vis dar nurodo tamsiųjų dalelių dalelių registraciją, "Elements", 2014.2.14). Jei vartojate tamsiosios medžiagos daleles dešimt kartų lengvesni, mX = 1 GeV, tada jo sukeltas energijos išsiskyrimas susiduria su branduoliu maždaug šimtą kartų, iki kelių eV. Paprastai detektorius negali sugauti tokių dalelių – jonizacija yra per silpna. Tačiau, jei naudojate puslaidininkinius jutiklius, tai yra galimybė patekti į šią zoną. Tokie tamsiosios medžiagos dalelių detektoriai jau aptariami (žr. R. Essigą, J. Mardoną, T. Volansky, 2011 m. Tiesioginis Sub-GeV tamsiosios medžiagos aptikimas), tačiau dar neatėjo į tikrąjį eksperimentą.

Pav. 4 Koreliacija tarp tamsiosios medžiagos dalelių masės skalių, jų tipiškų kinetikos energijos ir energijos išsiskyrimo detektoriuje, susidariusi susidūrus su branduoliais (raudonos rodyklės) arba su elektronais (žalios rodyklės) Skirtingos aptikimo technologijos leidžia jums pajusti skirtingų masių tamsiosios medžiagos daleles

Toliau mažėja mX energijos išlaisvinimas ED tampa gana menkas. Čia galima sutaupyti tik tuo atveju, jei tamsi materija gali susidurti ne tik su branduoliais, bet ir su elektronais (tamsiai žalios rodyklės 4 pav.).Elektronų masė yra pusė MeV, taigi MeV tamsiosios dalelės dalelės gali gerai generuoti kelias eV energijos išsiskyrimą. Tačiau žemiau šios ribos energijos išsiskyrimas smarkiai smuko, net susidūręs su elektronais. Pavyzdžiui, kai masė mX = 10 keV – ir tokios dalelės yra gana įmanomos, jie neprieštarauja jokiam pastebėjimui – ED bus faktinis millielectronvolts (meV). Ši energija nepakanka net vienam atomui jonizuoti. Be to, kambario temperatūroje šis vienkartinis energijos išleidimas tiesiog nusisėgs į šiluminius atomus, kurių energija yra dešimtys meV. Ir jei vis dar įmanoma susidoroti su šiluminiu triukšmu, aušinant veikliąją medžiagą iki itin žemos temperatūros, tada registracija mili-elektronų voltų energijos išleidimo yra labai sudėtinga užduotis.

Nauja idėja

Esant tokiai situacijai, neseniai paskelbtoje naujoje idėjoje Superažodiniai detektoriai, skirti "Super Light Dark Matter", atrodo kaip tikras išgelbėjimas. Jo autoriai atkreipia dėmesį į tai, kad millielektronvoltai yra elektronų charakteristika energijos charakteristikų žemos temperatūros superlaidininkiuose. Be superlaidžiosios būsenos, laisvieji elektronai yra sujungti į Cooper poras ir judėti sinchroniškai, nors jie yra labai toli vienas nuo kito.Štai kodėl jų laisvą judėjimą (ty elektros srovę) neužkertamas kelias kliūtims ar kitokiam poveikiui, jei jie nesunaikina Cooper poros. Tipinė Cooper poros įterpimo energija yra millielectronvolts.

Autoriai siūlo naudoti šią superlaidininkų savybę taip: Tamsiosios medžiagos šviesa dalelė susiduria su vienu iš elektronų, veikiančių detektoriaus tūriu superlaidoje, ir naikina Cooper porą. Du išlaisvintieji elektronai vėl rekombinuoja į porą, o tada superteroidiniame fonde išleidžiamas neterminis fononas arba jie paleidžiami į laisvą pasivaikščiojimą per medžiagą. Abiem atvejais susidaro pakankamai ilgaamžis sužadinimas, kuris gali pasiekti labai jautrią jutiklį ir sukelti jo veikimą. Tokie jutikliai jau egzistuoja, tačiau jie yra labai maži ir reikalaujama didelių kiekių medžioti tamsią medžiagą. Tačiau jie gali būti sujungti į tandemą: dalelės užfiksuojamos didelio tūrio superlaidžiu, o superlaidūs jutikliai, sumontuoti kartu su kraštais, užfiksuoja susidūrimo efektus.

Autoriai įvertino tikėtiną registravimo įvairioms masėms tamsių dalelių daleles ir skirtingus sklaidos skerspjūvius,ir parodė naujas funkcijas, kurios atvers naują detektorių klasę. Pav. 5 brėžinyje parodytos tipinės masės skerspjūvio plokštumos apribojimai, kurie bus pasiekiami aprašytam metodui po vieno kilogramo metų poveikio. Galima pastebėti, kad jo jautrumas yra kelis kartus didesnis nei net puslaidininkių detektorių, kurie dar nėra tinkamai išvystyti, jau nekalbant apie įprastas tamsiosios medžiagos detektorius.

Pav. 5 Tikėtini masės plokštumos ir tamsiosios medžiagos šviesiųjų dalelių skerspjūviai. Įvairūs spalvų kreivės parodykite didžiausią skerspjūvį tamsiosios medžiagos dalelių, kurių masė yra skirtinga (horizontali skalė) ir dalelių – sąveikos nešėjai (skirtingos spalvos), kuris neprieštarauja visiems turimiems duomenims. Juodosios kreivės – parametrų sritis, kurias galima patikrinti superlaidžiu detektoriumi, kurio slenkstis yra 10 meV arba 1 meV. Pilka kreivė – numatoma riba, kuri bus prieinama germaniumo puslaidininkių detektoriui. Vaizdas iš aptariamo straipsnio

Šioje sistemoje, žinoma, yra daug smulkmenų. Kai kurie iš jų jau buvo kruopščiai apsvarstyti autorių, kiti buvo tik apibūdinami apskritai, o išsamus tyrimas buvo paliktas vėliau.Mes paminėsime tik keletą akimirkų, dėl kurių šio tipo eksperimentai skiriasi nuo įprastų tamsiosios medžiagos paieškų.

  • Paprastu detektoriumi atomas jaučia grįžimą nuo susidūrimo su tamsiosios medžiagos dalelės, sklendžia šonu ir niekas nesikiša į šį poveikį. Remiantis Pauli principu, daug metalų yra laisvieji elektronai ir jie trukdo vienas kitam. Tai dar labiau apsunkina tamsiosios medžiagos dalelių išsisklaidymą elektronuose, ir apskaičiuojant efektą reikia atsižvelgti į šį blokavimą.
  • Tradiciniai detektoriai, skirti energijos išlaisvinimui, esant keV ir didesniam laipsniui, turėtų reaguoti į kiekvieną tamsiosios medžiagos dalelių susidūrimą su medžiaga. Siūlomame eksperimente tokia vieninga įvykių registracija negali būti padaryta – kiekvieno susidūrimo signalas yra per silpnas. Tačiau kadangi fononai ar laisvieji elektronai ilgą laiką gyvena, jie gali kauptis iš kelių susidūrimų ir jau šį užregistruotą atsakymą. Tokia silpna signalo koncentracija yra viena iš pagrindinių siūlomo metodo ypatybių.
  • Tipiškame eksperimente branduolio greitis yra daug mažesnis nei spinduliuojamos tamsios materijos greitis.Tai apsunkina efekto apskaičiavimą, nes pernelyg nežinome tamsiosios medžiagos dalelių greičio pasiskirstymo. Eksperimentas su superlaidininkiais, kur tamsiosios dalelės susiduria su elektronais, elektronų sparta jau yra žymiai aukštesnė nei tamsiosios medžiagos "galvos vėjo" greitis. Todėl tamsiosios medžiagos pasiskirstymas greičiui (kuris yra blogai žinomas) yra nereikšmingas.

Autoriai pateikia savo pasiūlymą kaip galimą perversmą tiesioginės tamsiosios medžiagos dalelių paieškos problemoje. Tačiau jie pripažįsta, kad yra ilgas ir sunkus kelias nuo pradinės sąvokos iki darbinio prototipo. Tačiau jie tikisi, kad esminis keV masės diapazono prieinamumas eksperimentinei patikrai bus gera paskata aprašytos technologijos plėtrai.

Šaltinis: Yonit Hochberg, Yue Zhao, Kathryn M. Zurek. Superlaidieji jutikliai "Super Light Dark Matter" // e-print arXiv: 1504.07237 [hep-ph], 2015 balandžio 27 d.

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