Håbet om mørkt stof er død

kig efter tøsedrenge, der kan rekyl med atomkerner. Samarbejdet vil give de bedste grænser for SKVAD-nukleon tværsnit af alle, men de bedst motiverede scenarier for at have en svag kraftdrevet partikel på eller nær elektrosvag skala udgør 100% af det mørke stof er allerede udelukket. SLAC National Accelerator Laboratory

mørkt stof er ikke kun den mest udbredte form for stof i universet, det er også den mest mystiske. Mens alle de andre partikler, vi kender til — atomer, neutrinoer, fotoner, antimatter og alle de andre partikler i standardmodellen — interagerer gennem mindst en af de kendte kvantekræfter, synes mørkt stof at interagere gennem tyngdekraften alene.

ifølge mange ville det være bedre at have kaldt det usynligt stof snarere end mørkt stof. Det udsender eller absorberer ikke kun lys, men det interagerer ikke med nogen af de kendte, direkte detekterbare partikler gennem de elektromagnetiske, stærke eller svage atomkræfter. Den mest efterspurgte kandidat til mørkt stof er TØSEDRENGEN: den svagt interagerende Massive partikel. Det store håb var for et tøsedreng mirakel, en stor forudsigelse af supersymmetri.

det er 2019, og det håb er nu knust. Direkte detekteringseksperimenter har grundigt udelukket de tøsedrenge, vi håbede på.

sonde den indre struktur af partiklerne kolliderer. Hvis en af dem ikke er grundlæggende, men snarere er en sammensat partikel, kan disse eksperimenter afsløre sin indre struktur. Her er et eksperiment designet til at måle det mørke stof/nukleonspredningssignal. Der er dog mange verdslige baggrundsbidrag, der kan give et lignende resultat. Denne særlige signal vil dukke op i Germanium, flydende KSENON og flydende ARGON detektorer. Mørk materie oversigt: Collider, direkte og indirekte Detektionssøgninger-Farinaldo S. archiv:1605.08788

universet, fra et astrofysisk perspektiv, skal være lavet af mere end bare det normale stof, vi kender til. Normalt stof kvalificerer sig i dette tilfælde som nogen af de kendte partikler i standardmodellen. Det inkluderer alt lavet af kvarker, leptoner eller de kendte bosoner og inkluderer eksotiske genstande som neutronstjerner, sorte huller og antimatter. Alt det normale stof i universet er blevet kvantificeret gennem en række forskellige metoder, og det udgør kun op til omkring en sjettedel af det, der skal være til stede, samlet set for at forklare de gravitationsinteraktioner, vi ser på kosmiske skalaer.

det store problem er selvfølgelig, at alle vores beviser for mørkt stof er indirekte. Vi kan observere dens virkninger i det astrofysiske laboratorium i rummet, men vi har aldrig opdaget det direkte, i et laboratorium her på jorden. Det er ikke, husk dig, for manglende forsøg.

detektor installeret inde i det store vandskærm. Hvis der er noget ikke-nul tværsnit mellem mørkt stof og normalt stof, vil et eksperiment som dette ikke kun have en chance for at opdage mørkt stof direkte, men der er en chance for, at mørkt stof til sidst vil interagere med din menneskelige krop. INFN

hvis du direkte vil registrere mørkt stof, er det ikke så simpelt som at detektere de kendte partikler i standardmodellen. For alt, der er lavet af kvarker, leptoner eller de kendte bosoner, kan vi kvantificere, hvilke kræfter de interagerer gennem og med hvilken størrelse. Vi kan bruge det, vi ved om fysik, og især om de kendte kræfter og interaktioner mellem de kendte partikler, til at forudsige mængder som tværsnit, henfaldshastigheder og produkter, spredningsamplituder og andre egenskaber, vi er i stand til at måle i eksperimentel partikelfysik.

fra og med 2019 har vi mødt en enorm succes på de fronter, der har bekræftet standardmodellen på måder, som både teoretikere og eksperimentalister kun kunne have drømt om for et halvt århundrede siden. Detektorer på colliders og isolerede, underjordiske faciliteter har ført vejen frem.

modellen er nu alle blevet direkte detekteret, med den sidste holdout, Higgs boson, der faldt på LHC tidligere i dette årti. Alle disse partikler kan skabes ved LHC-energier, og partiklernes masser fører til grundlæggende konstanter, der er absolut nødvendige for at beskrive dem fuldt ud. Disse partikler kan beskrives godt af fysikken i kvantefeltteorierne, der ligger til grund for standardmodellen, men de beskriver ikke alt, som mørkt stof. E. Siegel / ud over galaksen

der er et helt spektrum af partikler — både grundlæggende og sammensatte — forudsagt af standardmodellen. Deres interaktioner gennem de stærke nukleare, elektromagnetiske og svage nukleare kræfter kan beregnes gennem teknikker udviklet i kvantefeltteori, så vi kan skabe og opdage disse partikler på forskellige måder.

hver eneste kvark og antikvark er nu produceret direkte i en accelerator, hvor den øverste kvark, den sidste holdout, faldt i 1995.

hver lepton og antilepton er blevet set af detektorer, med tau neutrino (og dens antimaterielle modstykke, tau antineutrino), der fuldender lepton-sektoren i begyndelsen til midten af 2000 ‘ erne.

og hver eneste af standardmodelbosonerne er også oprettet og opdaget med Higgs boson, den sidste brik i puslespillet, der definitivt vises på LHC i 2012.

boson blev annonceret for et par år siden af både CMS-og ATLAS-samarbejdet. Men Higgs boson gør ikke en enkelt ‘spike’ i dataene, men snarere en spredt bump på grund af dens iboende usikkerhed i masse. Værdien af dens masse ved 125 GeV/c^2 er forvirrende for fysikere, men ikke så forvirrende som det mørke stofpuslespil. CMS-samarbejdet, “Observation af Higgs bosons diphotonforfald og måling af dets egenskaber”, (2014)

vi forstår, hvordan standardmodelpartiklerne opfører sig. Vi har solide forudsigelser for, hvordan de skal interagere gennem alle de grundlæggende kræfter, og eksperimentel bekræftelse af disse teorier. Vi har også ekstraordinære begrænsninger for, hvordan de får lov til at interagere på en måde ud over standardmodellen. På grund af vores begrænsninger fra acceleratorer, kosmiske stråler, henfaldseksperimenter, atomreaktorer og mere har vi været i stand til at udelukke mange mulige ideer, der er blevet teoretiseret.

når det kommer til, hvad der kan udgøre det mørke stof, er alt, hvad vi har, imidlertid de astrofysiske observationer og vores teoretiske arbejde, i tandem, til at guide os. De mulige teorier, som vi har fundet på, inkluderer et stort antal kandidater til mørkt stof, men ingen, der har fået nogen eksperimentel støtte.

par til mørkt stof eller ej. Tyngdekraften er en sikkerhed; alle de andre er enten ikke eller er stærkt begrænset med hensyn til niveauet for interaktion. Perimeter Institute

den mest efterspurgte kandidat til mørkt stof er TØSEDRENGEN: den svagt interagerende Massive partikel. I de tidlige dage-dvs., tilbage i 1970 ‘ erne — det blev indset, at nogle partikelfysikteorier, der forudsagde nye partikler ud over standardmodellen, i sidste ende kunne producere nye typer stabile, neutrale partikler, hvis der var en ny type paritet (en type symmetri), der forhindrede dem i at henfalde.

dette inkluderer nu ideer som supersymmetri, ekstra dimensioner eller det lille Higgs-scenarie. Alle disse scenarier har den samme historie til fælles:

• da Universet var varmt og tæt tidligt, blev alle de partikler (og antipartikler), der kunne skabes, skabt i stor overflod, herunder eventuelle ekstra, ud over standardmodellen.
• da universet blev afkølet, henfaldt disse partikler til gradvist lettere og mere stabile.
• og hvis den letteste var stabil (på grund af den nye paritetssymmetri) og elektrisk neutral, ville den fortsætte til i dag.

hvis du vurderer, hvad massen og tværsnittet af disse nye partikler er, kan du få en forudsagt tæthed for deres estimerede overflod i dag.

overflod af mørkt stof (y-akse), du har brug for, at mørkt stof har det rigtige interaktionstværsnit med normalt stof (venstre) og de rigtige selvudslettelsesegenskaber (højre). Direkte detektionseksperimenter udelukker nu disse værdier, nødvendiggjort af Planck (grøn), disfavoring svag-kraft-interagerende skvat mørkt stof. P. S. Bhupal Dev, Anupam Maumdar, & Saleh Kvtub, Front.in Phys. 2 (2014) 26

det er her ideen om tøsedreng mørkt stof kom fra. Disse nye partikler kunne ikke have interageret gennem den stærke eller elektromagnetiske interaktion; disse interaktioner har for højt tværsnit og ville allerede have vist sig. Men den svage nukleare interaktion er en mulighed. Oprindeligt stod” V ” i tøsedreng for den svage interaktion på grund af en spektakulær tilfældighed (vises i supersymmetri) kendt som tøsedreng mirakel.

hvis du lægger den mørke stofdensitet, som universet kræver i dag, kan du udlede, hvor mange mørke stofpartikler du har brug for af en given masse for at gøre det op. Masseskalaen af interesse for supersymmetri — eller enhver teori, der vises på elektrosvag skala — er i ballparken på 100 GeV til 1 TeV, så vi kan beregne, hvad selvudslettelse tværsnit skal være for at få den rigtige overflod af mørkt stof.

denne værdi (af tværsnit multipliceret med hastighed) viser sig at være omkring 3 liter 10-26 cm3/s, hvilket er lige i tråd med hvad du ville forvente, hvis sådanne partikler interagerede gennem elektrosvagkraften.

enhver grundlæggende interaktion, der spænder over de stærke, svage og elektromagnetiske kræfter, herunder i højenergi-og lavtemperatur/kondenserede forhold. Hvis der er en ny partikel, der parrer sig til den svage interaktion, vil de på et eller andet niveau interagere med de kendte Standardmodelpartikler og derfor have et tværsnit med protonen og neutronen. de Carvalho, Vanuildo S. et al. Nucl.Phys. B875 (2013) 738-756

selvfølgelig, hvis nogen nye partikler interagerer gennem elektrosvagkraften, ville de også parre sig til standardmodelpartiklerne. Hvis en ny partikel parres til for eksempel bosonen (som bærer den svage kraft), så er der en endelig, ikke-nul sandsynlighed for, at disse partikler kolliderer med enhver partikel, som en boson parrer til, som en kvark inden for en proton eller neutron.

dette betyder, at vi kan konstruere eksperimenter med mørkt stof på udkig efter en nuklear rekyl af kendte, normale stofpartikler. Rekyler ud over dem, der er forårsaget af normalt stof, ville være bevis for eksistensen af mørkt stof. Jo da, der er baggrundshændelser: neutroner, neutrinoer, radioaktivt henfaldende kerner i det omgivende stof, etc. Men hvis du kender energi-og momentumkombinationerne af det signal, du leder efter, og du designer dit eksperiment klogt, kan du kvantificere din baggrund og udtrække ethvert potentielt mørkt stofsignal, der måtte være der.

Lukas-samarbejdet, der effektivt udelukkede det sidste af parameterrummet fra 2000-æraen for tøsedrenge, der interagerer gennem den svage kraft, er 100% af det mørke stof. Bemærk, i de let skraverede områder i baggrunden, hvordan teoretikere laver nye, ‘reviderede’ forudsigelser ved nedre og nedre tværsnit. Der er ingen god fysisk motivation til at gøre dette. Samarbejde, Phys. Pastor Lett. 118, 251302 (2017)

disse eksperimenter har nu været i gang i årtier og har ikke set noget mørkt stof. De strengeste moderne begrænsninger kommer fra luksus (ovenfor) og 1T (nedenfor). Disse resultater informerer os om, at interaktionstværsnittet for protoner og neutroner er ekstraordinært lille og er forskelligt for både spinafhængige og spin-uafhængige scenarier.

luksus fik os ned til spinafhængige tværsnitsgrænser under 1,0-1,6 liter 10-41 cm2 for protoner og neutroner og spin-uafhængige under 1,0 liter 10-46 cm2: lav nok til at udelukke alle modeller af SUSY dark matter foreslået af 2001. Den spinafhængige neutronbegrænsning er 6 liter 10-42 cm2, mens det spinuafhængige tværsnit er under 4,1 liter 10-47 cm2, hvilket yderligere strammer skruerne.

får nu sine strengeste grænser fra KSENON1T-eksperimentet, som er forbedret i forhold til alle tidligere eksperimenter, inklusive luksus. Mens teoretikere og fænomenologer uden tvivl vil fortsætte med at producere nye forudsigelser med mindre og mindre tværsnit, har ideen om et tøsedreng mirakel mistet al rimelig motivation med de eksperimentelle resultater, vi allerede har i hånden. E. Aprile et al., Phys. Pastor Lett. 121, 111302 (2018)

dette er en anden måling end at have mørke stofpartikler selvudslettende, men den måling fortæller os noget utroligt værdifuldt. Modellerne af supersymmetri eller ekstra dimensioner, der giver den rigtige mørke stof overflod gennem de svage interaktioner, udelukkes af disse eksperimenter. Hvis der er skvat mørkt stof, skal det være svagere end den svage interaktion tillader at omfatte 100% af det mørke stof. Derudover bør LHC ikke påviseligt producere det.

teoretikere kan altid finjustere deres modeller og har gjort det mange gange ved at skubbe det forventede tværsnit ned og ned som nulresultat efter nulresultat ruller ind. Det er den værste slags videnskab, du kan gøre, imidlertid: du skal blot flytte målstolperne uden anden fysisk grund end dine eksperimentelle begrænsninger er blevet mere alvorlige. Der er ikke længere nogen motivation, bortset fra at foretrække en konklusion om, at dataene udelukker, ved at gøre det.

signaturer, som fysikere har søgt på LHC, fra ekstra dimensioner til mørkt stof til supersymmetriske partikler til mikro-sorte huller. På trods af alle de data, vi har indsamlet fra disse højenergikollisioner, har ingen af disse scenarier vist beviser, der understøtter deres eksistens. CERN / ATLAS eksperiment

men at udføre disse direkte detekteringseksperimenter er stadig utroligt værdifuldt. Der er andre måder at producere mørkt stof på, der går ud over det mest konventionelle scenario. Desuden kræver disse begrænsninger ikke en ikke-skvattet kilde til mørkt stof. Mange andre interessante scenarier behøver ikke et tøsedreng mirakel.

i mange årtier er “v” blevet anerkendt for ikke at stå for den svage interaktion, men at stå for en interaktion, der ikke er stærkere end den svage kraft tillader. Hvis vi har nye, ud over standardmodellen partikler, har vi også lov til at have nye kræfter og interaktioner. Eksperimenter som f.eks.

derudover er mørke stofkandidater, der produceres af en anden mekanisme ved lavere masseområder, som aksioner eller sterile neutrinoer eller gennem gravitationsinteraktionen alene ved højere masser, som f.eks.

søger at udnytte en hypotetisk interaktion for en ikke-tøsedreng mørkt stof kandidat: aksionen. Aksioner, hvis de er det mørke stof, kan konvertere til fotoner gennem den elektromagnetiske interaktion, og hulrummet vist her er designet til at teste for denne mulighed. Men hvis mørkt stof ikke har de specifikke egenskaber, som de nuværende eksperimenter tester for, vil ingen af de detektorer, vi har bygget, nogensinde finde det direkte. LLNL ‘ s flickr

vores jagt på mørkt stof i laboratoriet, gennem direkte detekteringsindsats, fortsætter med at lægge vigtige begrænsninger på, hvad fysik kan være til stede ud over standardmodellen. For dem, der er gift med mirakler, synes eventuelle positive resultater nu mere og mere usandsynlige. Denne søgning minder nu om den berusede, der leder efter sine mistede nøgler under lygteposten. Han ved, at de ikke er der, men det er det eneste sted, hvor lyset gør det muligt for ham at se skinner.

skvattet mirakel kan være dødt og væk, da partikler, der interagerer gennem den svage kraft på elektrosvag skala, er blevet misfornøjet af både colliders og direkte detektion. Ideen om tøsedreng mørkt stof, imidlertid, lever videre. Vi skal bare huske, når du hører tøsedreng, inkluderer vi mørkt stof, der er svagere og skvattere, end selv de svage interaktioner tillader. Der er uden tvivl noget nyt derude i universet, der venter på at blive opdaget.

tøsedreng miraklet er forbi. Men vi kan stadig få det bedste mirakel af alle: hvis disse eksperimenter viser noget ud over et nulresultat. Den eneste måde at vide er at se.

Følg mig på Facebook. Tjek min hjemmeside eller noget af mit andet arbejde her.