Naděje „WIMP Miracle“ pro temnou hmotu je mrtvá

hledejte Wimpy, které se mohou vrátit s atomovými jádry. LZ Spolupráce bude poskytovat nejlepší limity na WIMP-nucleon průřezy všech, ale nejlepší motivaci scénáře za to, že slabé síly-řízený částic na nebo v blízkosti elektroslabých měřítku tvoří 100% temné hmoty jsou již vyloučeno. LUX-ZEPLIN (LZ) Collaboration / SLAC National Accelerator Laboratory

temná hmota není jen nejhojnější formou hmoty ve vesmíru, je také nejzáhadnější. Vzhledem k tomu, že všechny ostatní částice, víme — atomy, neutrina, fotony, antihmoty a všechny ostatní částice ve Standardním Modelu — komunikovat prostřednictvím alespoň jeden ze známých kvantové síly, temná hmota se zdá komunikovat prostřednictvím gravitace sám.

podle mnoha by bylo lepší nazývat to neviditelnou hmotou, spíše než temnou hmotou. Nejenže nevyzařuje ani neabsorbuje světlo, ale neinteraguje s žádnou ze známých, přímo detekovatelných částic prostřednictvím elektromagnetických, silných nebo slabých jaderných sil. Nejvyhledávanějším kandidátem na temnou hmotu je WIMP: slabě interagující masivní částice. Velkou nadějí byl WIMP zázrak, skvělá předpověď supersymetrie.

je rok 2019 a tato naděje je nyní přerušena. Přímé detekční experimenty důkladně vyloučily Wimpy, v které jsme doufali.

sondujte vnitřní strukturu částic, které se srazí. Pokud jedna z nich není zásadní, ale je spíše kompozitní částicí, mohou tyto experimenty odhalit její vnitřní strukturu. Zde je experiment navržen tak, aby měřil signál rozptylu temné hmoty / nukleonu. Existuje však mnoho světských příspěvků na pozadí, které by mohly přinést podobný výsledek. Tento konkrétní signál se objeví v detektorech Germania, kapalného xenonu a kapalného argonu. Temná Hmota Přehled: Collider, Přímé a Nepřímé Detekce Hledání – Queiroz, Farinaldo. S. arXiv:1605.08788

Vesmíru, z astrofyzikálního hlediska, musí být vyrobeny z více než jen běžné věci, které známe. Normální hmota se v tomto případě kvalifikuje jako kterákoli ze známých částic ve standardním modelu. Zahrnuje vše vyrobené z kvarků, leptonů nebo známých bosonů a zahrnuje exotické objekty, jako jsou neutronové hvězdy, černé díry a antihmota. Všechny normální hmoty ve Vesmíru byla vyčíslena prostřednictvím různých metod, a to pouze součty až o šestinu, co musí být přítomen, celkově vysvětlit gravitační interakce můžeme vidět v kosmických měřítcích.

velkým problémem samozřejmě je, že všechny naše důkazy o temné hmotě jsou nepřímé. Můžeme pozorovat jeho účinky v astrofyzikální laboratoři vesmíru, ale nikdy jsme ho nezjistili přímo, v laboratoři tady na Zemi. To není, myslete na to, že se nesnažíte.

detektor instalovaný uvnitř velkého vodního štítu. Pokud tam je nějaké nenulové průřez mezi temná hmota a normální hmota, nejenom experimentem, takhle mají šanci na detekci temné hmoty přímo, ale je možné, že temná hmota bude nakonec komunikovat s vaším lidské tělo. INFN

pokud chcete přímo detekovat temnou hmotu, není to tak jednoduché jako detekce známých částic standardního modelu. U všeho vyrobeného z kvarků, leptonů nebo známých bosonů můžeme kvantifikovat, jaké síly interagují a s jakou velikostí. Můžeme použít to, co víme o fyzice, a zejména o známé síly a interakce mezi známé částice, předpovědět množství, jako je cross-sekcí, kaz sazby a produkty, rozptyl amplitud, a další vlastnosti jsme schopni z měření v experimentální částicové fyziky.

od roku 2019, už jsme se setkali s obrovským úspěchem na těch frontách, které potvrdily, že Standardní Model v způsoby, které oba teoretiků a experimentátorů mohl jen snil před půl stoletím. Detektory na srážkách a izolovaných podzemních zařízeních vedly cestu vpřed.

Model byl nyní detekován přímo, s posledním zpožděním, Higgsovým bosonem, padajícím na LHC počátkem tohoto desetiletí. Všechny tyto částice mohou být vytvořeny na LHC energie, a masy částic vést k základní konstanty, které jsou naprosto nezbytné k jejich popisu plně. Tyto částice mohou být dobře popsány fyzikou kvantových teorií pole, které jsou základem standardního modelu, ale nepopisují vše, jako temná hmota. E. Siegel / za galaxií

existuje celé spektrum částic — základních i kompozitních — předpovídaných standardním modelem. Jejich interakce prostřednictvím silných jaderných, elektromagnetických a slabých jaderných sil lze vypočítat pomocí technik vyvinutých v kvantové teorii pole, což nám umožňuje vytvářet a detekovat tyto částice různými způsoby.

každý kvark a antikvark byl nyní přímo vyroben v urychlovači, přičemž nejvyšší kvark, Poslední zadržení, padl v roce 1995.

Každý lepton a antilepton byl viděn detektory, s tau neutrino (a jejich antihmota protějšek, tau antineutrino) dokončení lepton sektoru v první polovině 2000s.

A každý z bosony Standardního Modelu byl vytvořen a zjištěna, stejně jako Higgsův boson, poslední dílek skládačky, definitivně se objeví na LHC v roce 2012.

boson byl oznámen před několika lety spoluprací CMS a ATLAS. Ale Higgsův boson nedělá jediný „bodec“ v datech, ale spíše rozprostřený náraz, kvůli své vlastní nejistotě v hmotnosti. Hodnota jeho hmotnosti při 125 GeV / c^2 je pro fyziky záhadná, ale ne tak matoucí jako hádanka temné hmoty. CMS Spolupráci, „Pozorování diphoton rozpadu Higgsova bosonu a měření jeho vlastností“, (2014)

chápeme, jak je Standardní Model částic se chovají. Máme solidní předpovědi, jak by měly interagovat prostřednictvím všech základních sil, a experimentální potvrzení těchto teorií. Máme také mimořádná omezení v tom, jak je jim dovoleno interagovat v nadstandardním modelu. Kvůli našim omezením z urychlovačů, kosmických paprsků, experimentů s rozpadem, jaderných reaktorů a dalších, jsme byli schopni vyloučit mnoho možných myšlenek, které byly teoretizovány.

pokud jde o to, co by mohlo tvořit temnou hmotu, vše, co máme, jsou astrofyzikální pozorování a naše teoretická práce v tandemu, která nás vede. Možné teorie, se kterými jsme přišli, zahrnují obrovské množství kandidátů na temnou hmotu, ale žádný z nich nezískal žádnou experimentální podporu.

pár k temné hmotě nebo ne. Gravitace je jistota; všichni ostatní jsou buď ne, nebo jsou velmi omezeni, pokud jde o úroveň interakce. Perimeter Institute

nejvyhledávanějším kandidátem na temnou hmotu je WIMP: slabě interagující masivní částice. V prvních dnech-tj., zpět v roce 1970 — to bylo si uvědomil, že některé částicové fyzice teorie, které předpověděl nových částic přesahující Standardní Model by mohl nakonec vyrábět nové typy stabilní, neutrální částice, když tam byl nějaký nový typ parity (typ symetrie), které jim brání rozpadající se.

to nyní zahrnuje myšlenky jako supersymetrie, extra dimenze nebo malý Higgsův scénář. Všechny tyto scénáře mají stejný příběh společného:

• Když byl Vesmír žhavý a hustý na začátku, všechny částice (a antičástice), které by mohly být vytvořeny byly vytvořeny ve velkém množství, včetně nějaké extra, za-the-Standardní-Model ty.
• když se vesmír ochladil, tyto částice se rozpadly na postupně lehčí a stabilnější.
• a pokud by ten nejlehčí byl stabilní (kvůli nové paritní symetrii) a elektricky neutrální, přetrvával by dodnes.

pokud vyhodnotíte, jaká je hmotnost a průřez těchto nových částic, můžete získat předpokládanou hustotu pro jejich odhadovanou hojnost dnes.

množství temné hmoty (osa y), potřebujete, aby temná hmota měla správné interakční průřezy s normální hmotou (vlevo) a správné vlastnosti sebezničení (vpravo). Přímé detekční experimenty nyní vylučují tyto hodnoty, vyžadované Planckem (zeleným), znevažující slabou sílu interagující WIMP temnou hmotu. P. S. Bhupal Dev, Anupam Mazumdar, & Saleh Qutub, Front.in Phys. 2 (2014) 26

odtud pochází myšlenka temné hmoty WIMP. Tyto nové částice nemohly interagovat silnou nebo elektromagnetickou interakcí; tyto interakce mají příliš vysoký průřez a již by se ukázaly. Ale slabá jaderná interakce je možná. Původně“ W “ ve WIMPU znamenalo slabou interakci kvůli velkolepé náhodě (objevující se v supersymetrii) známé jako WIMP miracle.

pokud vložíte hustotu temné hmoty, kterou vesmír dnes vyžaduje, můžete odvodit, kolik částic temné hmoty potřebujete pro danou hmotu, abyste ji vytvořili. Hmotnostní rozsah zájmu o supersymetrii — či jakékoli teorie se objevují v elektroslabých měřítku — je přibližně 100 GeV až 1 TeV, takže jsme schopni jim spočítat, co self-zničení průřezu musí být v pořádku, aby si správné množství temné hmoty.

Že hodnota (průřezu násobí rychlost) ukazuje se, že kolem 3 × 10-26 cm3/s, což je přesně v souladu s tím, co byste očekávat, že pokud se tyto částice ve styku prostřednictvím elektroslabých sil.

každá základní interakce zahrnující silné, slabé a elektromagnetické síly, a to i ve vysokoenergetických a nízkoteplotních/kondenzovaných podmínkách. Pokud je nové částice, které páry slabé interakce, jsou vzájemně propojeny, na určité úrovni, s známých částic Standardního Modelu, a proto mají průřez s proton a neutron. de Carvalho, Vanuildo S. et al. Nucl.Phys. B875 (2013) 738-756

samozřejmě, pokud žádné nové částice interagují prostřednictvím elektroslabých sil, že by pár Standardního Modelu částic. Pokud nové částice páry, například, W nebo Z bosonu (které nesou slabá síla), pak existuje konečná, nenulová pravděpodobnost, že částice se srazí s jakýchkoli částic, že W a Z bosonu páry, jako kvarky v protonu nebo neutronu.

to znamená, že můžeme konstruovat experimenty s temnou hmotou hledající jaderný zpětný ráz známých částic normální hmoty. Zpětné vazby nad rámec těch, které jsou způsobeny normální hmotou, by byly důkazem existence temné hmoty. Jistě, existují události na pozadí: neutrony, neutrina, radioaktivně rozkládající se jádra v okolní hmotě atd. Ale pokud znáte kombinace energie a hybnosti signálu, který hledáte, a navrhnete svůj experiment chytře, můžete kvantifikovat své pozadí a extrahovat jakýkoli potenciální signál temné hmoty, který tam může být.

spolupráce LUX, která účinně vyloučila poslední z 2000-éra parametru prostor pro WIMPs interagující prostřednictvím slabé síly je 100% temné hmoty. Všimněte si, v lehce zastíněné oblasti na pozadí, jak teoretici dělají nové, ‚revidované předpovědi na nižší a nižší průřezy. Neexistuje žádná dobrá fyzická motivace k tomu. LUX spolupráce, Phys. Reverende Lette. 118, 251302 (2017)

tyto experimenty nyní probíhají po celá desetiletí a neviděly žádnou temnou hmotu. Nejpřísnější moderní omezení pocházejí z LUX (výše) a xenonu 1T (níže). Tyto výsledky nás informují, že průřez interakcí protonů a neutronů je mimořádně malý a liší se jak pro scénáře závislé na spinu, tak pro scénáře nezávislé na spinu.

LUX nás dostal do mezí průřezu závislého na spinu pod 1,0-1,6 × 10-41 cm2 pro protony a neutrony a ty nezávislé na spinu pod 1,0 × 10-46 cm2: dostatečně nízká, aby vyloučila všechny modely SUSY dark matter navržené v roce 2001. Citlivější omezení nyní přichází z XENONOVÁ: spin-závislé neutron omezení je 6 × 10-42 cm2, zatímco spin-nezávislé průřezy jsou níže 4.1 × 10-47 cm2, další utahování šroubů.

nyní získává nejpřísnější limity z experimentu XENON1T, který se zlepšil ve všech předchozích experimentech, včetně LUX. Zatímco teoretici a fenomenologové budou bezpochyby pokračovat ve vytváření nových předpovědí s menšími a menšími průřezy, myšlenka zázraku WIMP ztratila veškerou rozumnou motivaci s experimentálními výsledky, které již máme v ruce. E. April et al., Phys. Reverende Lette. 121, 111302 (2018)

To je jiná měření, než mít částice temné hmoty self-zničit, ale to měření nám říká něco neuvěřitelně cenného. Modely supersymetrie nebo extra dimenze, které dávají správné množství temné hmoty prostřednictvím slabých interakcí, jsou těmito experimenty vyloučeny. Pokud existuje temná hmota WIMP, musí být slabší než slabá interakce, která umožňuje, aby obsahovala 100% temné hmoty. LHC by jej navíc neměl detekovat.

teoretici mohou vždy vyladit své modely a udělali to mnohokrát, tlačí očekávaný průřez dolů a dolů jako nulový výsledek po nulovém výsledku. To je nejhorší druh vědy, kterou můžete udělat, nicméně: pouhé posunutí brankoviště bez fyzického důvodu, kromě vašich experimentálních omezení, se stalo závažnějším. Neexistuje již žádná motivace, kromě upřednostnění závěru, který data vylučují.

podpisy, které fyzici hledali na LHC, od extra dimenzí přes temnou hmotu až po supersymetrické částice až po mikro-černé díry. Přes všechna data, která jsme shromáždili z těchto vysokoenergetických kolizí, žádný z těchto scénářů neprokázal důkaz podporující jejich existenci. Experiment CERN / ATLAS

ale provedení těchto přímých detekčních experimentů je stále neuvěřitelně cenné. Existují i jiné způsoby, jak produkovat temnou hmotu, která přesahuje nejběžnější scénář. Tato omezení navíc nevyžadují nemastný zdroj temné hmoty. Mnoho dalších zajímavých scénářů nepotřebuje zázrak WIMP.

Pro mnoho dekád, „W“, byl uznán stát není pro slabé interakce, ale stát pro interakci, ne silnější, než je povoleno slabá síla. Pokud máme nové, nadstandardní modelové částice, můžeme mít také nové síly a interakce. Experimenty jako XENON a LUX jsou náš jediný způsob, jak je prozkoumat.

Navíc, temná hmota kandidátů, které jsou produkovány jiný mechanismus, při nižší hmotnosti se pohybuje, jako axions nebo sterilní neutrina, nebo prostřednictvím gravitační interakce sama na vyšší hmotnosti, jako WIMPzillas, jsou velmi mnoho ve hře.

při pohledu na využití hypotetické interakce pro kandidáta temné hmoty, který není WIMP: axion. Axiony, pokud jsou temnou hmotou, se mohou pomocí elektromagnetické interakce přeměnit na fotony, a zde uvedená dutina je navržena tak, aby testovala tuto možnost. Pokud však temná hmota nemá specifické vlastnosti, které současné experimenty testují, žádný z detektorů, které jsme postavili, ji nikdy nenajde přímo. Experiment Axion Dark Matter (ADMX) / Flickr LLNL

náš hon na temnou hmotu v laboratoři prostřednictvím přímého detekčního úsilí nadále klade důležitá omezení na to, jaká fyzika může být přítomna mimo standardní Model. Pro ty, kteří byli oddáni zázrakům, ačkoli, jakékoli pozitivní výsledky se nyní zdají stále nepravděpodobnější. Toto pátrání nyní připomíná opilce, který hledal ztracené klíče pod lampou. Ví, že tam nejsou, ale je to jediné místo, kde svítí světlo, které mu umožňuje vypadat.

SLABOCH zázrak může být mrtvý a pryč, protože částice v interakci prostřednictvím slabé síly v elektroslabých měřítku byly disfavored oběma urychlovači lhc a přímé detekce. Myšlenka WIMP temné hmoty, nicméně, žije dál. Jen si musíme pamatovat, že když uslyšíte WIMP, zahrnujeme temnou hmotu, která je slabší a slabší, než dovolí i slabé interakce. Ve vesmíru je nepochybně něco nového, čeká na objevení.

zázrak WIMP je u konce. Ale stále bychom mohli získat nejlepší zázrak ze všech: pokud tyto experimenty objeví něco mimo nulový výsledek. Jediný způsob, jak to vědět, je podívat se.

Následujte mě na Twitteru. Podívejte se na mé webové stránky nebo některé z mých dalších prací zde.