Die ‚Weichei-Wunder‘-Hoffnung auf Dunkle Materie ist tot

Suchen Sie nach WIMPs, die mit Atomkernen zurückschlagen können. Die LZ-Kollaboration wird die besten Grenzwerte für WIMP-Nukleon-Querschnitte von allen liefern, aber die am besten motivierten Szenarien für ein schwach kraftgetriebenes Teilchen auf oder nahe der elektroschwachen Skala, das 100% der dunklen Materie ausmacht, sind bereits ausgeschlossen. LUX-ZEPLIN (LZ) Kollaboration / SLAC National Accelerator Laboratory

Dunkle Materie ist nicht nur die am häufigsten vorkommende Form von Materie im Universum, sondern auch die mysteriöseste. Während alle anderen uns bekannten Teilchen – Atome, Neutrinos, Photonen, Antimaterie und alle anderen Teilchen im Standardmodell — durch mindestens eine der bekannten Quantenkräfte interagieren, scheint dunkle Materie allein durch die Schwerkraft zu interagieren.

Vielen zufolge wäre es besser gewesen, es unsichtbare Materie zu nennen, als dunkle Materie. Es emittiert oder absorbiert nicht nur kein Licht, sondern interagiert auch nicht mit einem der bekannten, direkt nachweisbaren Partikel durch die elektromagnetischen, starken oder schwachen Kernkräfte. Der begehrteste Kandidat für dunkle Materie ist der WIMP: das schwach wechselwirkende massive Teilchen. Die große Hoffnung war auf ein Wimpwunder, eine großartige Vorhersage der Supersymmetrie.

Es ist 2019, und diese Hoffnung ist jetzt zerschlagen. Direkte Detektionsexperimente haben die WIMPs, auf die wir gehofft hatten, gründlich ausgeschlossen.

untersuchen Sie die innere Struktur der kollidierenden Partikel. Wenn einer von ihnen nicht fundamental ist, sondern eher ein zusammengesetztes Teilchen, können diese Experimente seine innere Struktur offenbaren. Hier wird ein Experiment zur Messung des Signals der dunklen Materie / Nukleonenstreuung durchgeführt. Es gibt jedoch viele weltliche Hintergrundbeiträge, die zu einem ähnlichen Ergebnis führen könnten. Dieses spezielle Signal wird sich in Germanium-, Flüssig-XENON- und Flüssig-ARGON-Detektoren zeigen. Dark Matter Overview: Collider, Direct and Indirect Detection Searches – Queiroz, Farinaldo S. arXiv: 1605.08788

Das Universum muss aus astrophysikalischer Sicht aus mehr als nur der normalen Materie bestehen, die wir kennen. Normale Materie qualifiziert sich in diesem Fall als eines der bekannten Teilchen im Standardmodell. Es umfasst alles, was aus Quarks, Leptonen oder den bekannten Bosonen besteht, und umfasst exotische Objekte wie Neutronensterne, Schwarze Löcher und Antimaterie. Die gesamte normale Materie im Universum wurde durch eine Vielzahl von Methoden quantifiziert, und sie beträgt nur etwa ein Sechstel dessen, was insgesamt vorhanden sein muss, um die Gravitationswechselwirkungen zu erklären, die wir auf kosmischen Skalen sehen.

Das große Problem ist natürlich, dass alle unsere Beweise für dunkle Materie indirekt sind. Wir können seine Auswirkungen im astrophysikalischen Labor des Weltraums beobachten, aber wir haben es nie direkt in einem Labor hier auf der Erde entdeckt. Das ist nicht, wohlgemerkt, für einen Mangel an Versuchen.

Detektor im Inneren des großen Wasserschildes installiert. Wenn es einen Querschnitt ungleich Null zwischen dunkler Materie und normaler Materie gibt, hat ein Experiment wie dieses nicht nur die Chance, dunkle Materie direkt zu erkennen, sondern es besteht auch die Möglichkeit, dass dunkle Materie schließlich mit Ihrem menschlichen Körper interagiert. INFN

Wenn Sie dunkle Materie direkt nachweisen möchten, ist dies nicht so einfach wie der Nachweis der bekannten Partikel des Standardmodells. Für alles, was aus Quarks, Leptonen oder den bekannten Bosonen besteht, können wir quantifizieren, mit welchen Kräften sie interagieren und mit welcher Größe. Wir können das, was wir über die Physik und insbesondere über die bekannten Kräfte und Wechselwirkungen zwischen den bekannten Teilchen wissen, nutzen, um Größen wie Querschnitte, Zerfallsraten und -produkte, Streuamplituden und andere Eigenschaften vorherzusagen, die wir in der experimentellen Teilchenphysik messen können.

Ab 2019 haben wir enorme Erfolge an den Fronten erzielt, die das Standardmodell auf eine Weise bestätigt haben, von der sowohl Theoretiker als auch Experimentatoren vor einem halben Jahrhundert nur träumen konnten. Detektoren an Kollidern und isolierten unterirdischen Anlagen haben den Weg nach vorne geebnet.

Sie wurden jetzt alle direkt entdeckt, wobei der letzte Holdout, das Higgs-Boson, Anfang dieses Jahrzehnts am LHC fiel. Alle diese Teilchen können bei LHC-Energien erzeugt werden, und die Massen der Teilchen führen zu fundamentalen Konstanten, die absolut notwendig sind, um sie vollständig zu beschreiben. Diese Teilchen können durch die Physik der Quantenfeldtheorien, die dem Standardmodell zugrunde liegen, gut beschrieben werden, aber sie beschreiben nicht alles wie dunkle Materie. E. Siegel / Jenseits der Galaxie

Es gibt ein ganzes Spektrum von Teilchen — sowohl fundamental als auch zusammengesetzt —, die vom Standardmodell vorhergesagt werden. Ihre Wechselwirkungen durch die starken nuklearen, elektromagnetischen und schwachen Kernkräfte können durch in der Quantenfeldtheorie entwickelte Techniken berechnet werden, die es uns ermöglichen, diese Teilchen auf verschiedene Arten zu erzeugen und nachzuweisen.

Jedes einzelne Quark und Antiquark wurde nun direkt in einem Beschleuniger hergestellt, wobei das oberste Quark, das letzte Holdout, 1995 fiel.

Jedes Lepton und Antilepton wurde von Detektoren gesehen, wobei das Tau-Neutrino (und sein Antimaterie-Gegenstück, das Tau-Antineutrino) den Leptonsektor in den frühen bis mittleren 2000er Jahren vervollständigten.

Und jedes der Standardmodellbosonen wurde ebenfalls erzeugt und nachgewiesen, wobei das Higgs-Boson, das letzte Puzzleteil, 2012 definitiv am LHC erschien.

boson wurde vor einigen Jahren sowohl von der CMS- als auch von der ATLAS-Kollaboration angekündigt. Aber das Higgs-Boson macht keinen einzigen ‚Spike‘ in den Daten, sondern eine ausgebreitete Beule, aufgrund seiner inhärenten Unsicherheit in der Masse. Der Wert seiner Masse bei 125 GeV / c ^ 2 ist für Physiker rätselhaft, aber nicht so verwirrend wie das Rätsel der dunklen Materie. Die CMS Collaboration, „Beobachtung des Diphotonenzerfalls des Higgs-Bosons und Messung seiner Eigenschaften“, (2014)

Wir verstehen, wie sich die Standardmodellteilchen verhalten. Wir haben solide Vorhersagen darüber, wie sie durch alle fundamentalen Kräfte interagieren sollten, und experimentelle Bestätigung dieser Theorien. Wir haben auch außergewöhnliche Einschränkungen, wie sie über das Standardmodell hinaus interagieren dürfen. Aufgrund unserer Einschränkungen durch Beschleuniger, kosmische Strahlung, Zerfallsexperimente, Kernreaktoren und mehr konnten wir viele mögliche Ideen ausschließen, die theoretisiert wurden.

Wenn es jedoch darum geht, was die dunkle Materie ausmachen könnte, haben wir nur die astrophysikalischen Beobachtungen und unsere theoretische Arbeit im Tandem, um uns zu leiten. Die möglichen Theorien, die wir entwickelt haben, umfassen eine große Anzahl von Kandidaten für dunkle Materie, aber keine, die experimentelle Unterstützung erhalten hat.

Kopplung mit dunkler Materie oder nicht. Gravitation ist eine Gewissheit; Alle anderen sind entweder nicht oder in Bezug auf die Interaktionsebene stark eingeschränkt. Perimeter Institute

Der gefragteste Kandidat für dunkle Materie ist das WIMP: das schwach wechselwirkende massive Teilchen. In den frühen Tagen — d.h. in den 1970er Jahren wurde erkannt, dass einige Teilchenphysiktheorien, die neue Teilchen jenseits des Standardmodells vorhersagten, schließlich neue Arten stabiler, neutraler Teilchen erzeugen könnten, wenn es eine neue Art von Parität (eine Art Symmetrie) gäbe, die sie daran hinderte zerfallen.

Dazu gehören jetzt Ideen wie Supersymmetrie, zusätzliche Dimensionen oder das kleine Higgs-Szenario. Alle diese Szenarien haben die gleiche Geschichte gemeinsam:

• Als das Universum früh heiß und dicht war, wurden alle Teilchen (und Antiteilchen), die erzeugt werden konnten, in großer Fülle erzeugt, einschließlich aller zusätzlichen Teilchen, die über das Standardmodell hinausgingen.
• Als sich das Universum abkühlte, zerfielen diese Teilchen in immer leichtere und stabilere.
• Und wenn der leichteste stabil (wegen der neuen Paritätssymmetrie) und elektrisch neutral wäre, würde er bis heute bestehen bleiben.

Wenn Sie die Masse und den Querschnitt dieser neuen Teilchen auswerten, können Sie heute eine vorhergesagte Dichte für ihre geschätzte Häufigkeit erhalten.

Fülle dunkler Materie (y-Achse), Sie benötigen für dunkle Materie die richtigen Interaktionsquerschnitte mit normaler Materie (links) und die richtigen Selbstvernichtungseigenschaften (rechts). Direkte Detektionsexperimente schließen diese von Planck (grün) geforderten Werte nun aus und bevorzugen schwach wechselwirkende WIMP-dunkle Materie. PS Bhupal Dev, Anupam Mazumdar, & Saleh Qutub, Front.in Phys. 2 (2014) 26

Dies ist, wo die Idee der WIMP dunkle Materie kam. Diese neuen Teilchen konnten nicht durch die starke oder elektromagnetische Wechselwirkung interagiert haben; diese Wechselwirkungen haben einen zu hohen Querschnitt und wären bereits aufgetreten. Aber die schwache nukleare Wechselwirkung ist eine Möglichkeit. Ursprünglich stand das „W“ in WIMP für die schwache Wechselwirkung aufgrund eines spektakulären Zufalls (der in der Supersymmetrie auftritt), der als WIMP-Wunder bekannt ist.

Wenn Sie die Dichte der dunklen Materie eingeben, die das Universum heute benötigt, können Sie ableiten, wie viele dunkle Materieteilchen Sie von einer bestimmten Masse benötigen, um sie zu bilden. Die Massenskala von Interesse für die Supersymmetrie – oder jede Theorie, die auf der elektroschwachen Skala erscheint – liegt im Bereich von 100 GeV bis 1 TeV, so dass wir leicht berechnen können, wie der Selbstvernichtungsquerschnitt sein muss, um die richtige Fülle an dunkler Materie zu erhalten.

Dieser Wert (des Querschnitts multipliziert mit der Geschwindigkeit) liegt bei etwa 3 × 10-26 cm3 / s, was genau dem entspricht, was Sie erwarten würden, wenn solche Partikel durch die elektroschwache Kraft interagieren würden.

jede fundamentale Wechselwirkung, die die starken, schwachen und elektromagnetischen Kräfte umfasst, auch unter hochenergetischen und Niedertemperatur- / Kondensationsbedingungen. Wenn es ein neues Teilchen gibt, das an die schwache Wechselwirkung koppelt, interagieren sie auf einer bestimmten Ebene mit den bekannten Standardmodellteilchen und haben daher einen Querschnitt mit dem Proton und Neutron. müller, J. et al. Nucl.Phys. B875 (2013) 738-756

Wenn neue Teilchen durch die elektroschwache Kraft interagieren, würden sie sich natürlich auch an die Standardmodellteilchen koppeln. Wenn ein neues Teilchen zum Beispiel an das W- oder Z-Boson koppelt (die die schwache Kraft tragen), dann gibt es eine endliche Wahrscheinlichkeit ungleich Null, dass diese Teilchen mit jedem Teilchen kollidieren, mit dem ein W- oder Z-Boson koppelt, wie ein Quark in einem Proton oder Neutron.

Dies bedeutet, dass wir Experimente mit dunkler Materie konstruieren können, die nach einem nuklearen Rückstoß bekannter, normaler Materieteilchen suchen. Rückschläge, die über die von normaler Materie verursachten hinausgehen, wären ein Beweis für die Existenz dunkler Materie. Sicher, es gibt Hintergrundereignisse: Neutronen, Neutrinos, radioaktiv zerfallende Kerne in der umgebenden Materie usw. Aber wenn Sie die Energie- und Impulskombinationen des gesuchten Signals kennen und Ihr Experiment geschickt gestalten, können Sie Ihren Hintergrund quantifizieren und jedes potenzielle Signal der dunklen Materie extrahieren, das möglicherweise vorhanden ist.

die LUX-Kollaboration, die den letzten Parameterraum der 2000-Ära für WIMPs, die durch die schwache Kraft interagieren, effektiv ausschloss, war 100% der dunklen Materie. Beachten Sie in den leicht schattierten Bereichen im Hintergrund, wie Theoretiker neue, ‚überarbeitete‘ Vorhersagen bei niedrigeren und niedrigeren Querschnitten treffen. Es gibt keine gute körperliche Motivation, dies zu tun. LUX Collaboration, Phys. Rev. Lett. 118, 251302 (2017)

Diese Experimente laufen seit Jahrzehnten und haben keine dunkle Materie gesehen. Die strengsten modernen Einschränkungen kommen von LUX (oben) und XENON 1T (unten). Diese Ergebnisse informieren uns, dass der Wechselwirkungsquerschnitt für Protonen und Neutronen außerordentlich klein ist und sowohl für spinabhängige als auch für spinunabhängige Szenarien unterschiedlich ist.

LUX brachte uns zu spinabhängigen Querschnittsgrenzen unter 1,0-1,6 × 10-41 cm2 für Protonen und Neutronen und spinunabhängigen unter 1,0 × 10-46 cm2: niedrig genug, um alle von 2001 vorgeschlagenen Modelle der dunklen Materie von SUSY auszuschließen. Eine empfindlichere Einschränkung kommt jetzt von XENON: Die spinabhängige Neutronenbeschränkung beträgt 6 × 10-42 cm2, während die spinunabhängigen Querschnitte unter 4,1 × 10-47 cm2 liegen, wodurch die Schrauben weiter angezogen werden.

erhält jetzt seine strengsten Grenzwerte aus dem XENON1T-Experiment, das sich gegenüber allen früheren Experimenten, einschließlich LUX, verbessert hat. Während Theoretiker und Phänomenologen zweifellos weiterhin neue Vorhersagen mit immer kleineren Querschnitten erstellen werden, hat die Idee eines WEICHEI-Wunders mit den experimentellen Ergebnissen, die wir bereits in der Hand haben, jede vernünftige Motivation verloren. E. Aprile et al., Phys. Rev. Lett. 121, 111302 (2018)

Dies ist eine andere Messung als die Selbstvernichtung von Partikeln der dunklen Materie, aber diese Messung sagt uns etwas unglaublich Wertvolles. Die Modelle der Supersymmetrie oder Extradimensionen, die durch die schwachen Wechselwirkungen die richtigen Häufigkeiten der dunklen Materie ergeben, werden durch diese Experimente ausgeschlossen. Wenn es WIMP dunkle Materie gibt, muss es schwächer sein, als die schwache Wechselwirkung erlaubt, 100% der dunklen Materie zu umfassen. Darüber hinaus sollte der LHC es nicht nachweisbar produzieren.

Theoretiker können ihre Modelle immer optimieren, und das haben sie schon oft getan, indem sie den erwarteten Querschnitt als Null-Ergebnis nach dem Null-Ergebnis immer weiter nach unten gedrückt haben. Das ist die schlimmste Art von Wissenschaft, die Sie tun können, jedoch: das einfache Verschieben der Torpfosten aus keinem anderen physischen Grund als Ihren experimentellen Einschränkungen ist schwerwiegender geworden. Es gibt keine andere Motivation mehr, als den Schluss zu ziehen, dass die Daten dies ausschließen.

Signaturen, nach denen Physiker am LHC gesucht haben, von Extradimensionen über dunkle Materie bis hin zu supersymmetrischen Teilchen und Mikro-Schwarzen Löchern. Trotz aller Daten, die wir von diesen hochenergetischen Kollisionen gesammelt haben, hat keines dieser Szenarien Beweise für ihre Existenz gezeigt. CERN / ATLAS-Experiment

Aber die Durchführung dieser direkten Nachweisexperimente ist immer noch unglaublich wertvoll. Es gibt andere Möglichkeiten, dunkle Materie zu produzieren, die über das konventionellste Szenario hinausgehen. Darüber hinaus erfordern diese Einschränkungen keine nicht schwache Quelle dunkler Materie. Viele andere interessante Szenarien brauchen kein WEICHEI-Wunder.

Seit vielen Jahrzehnten wird anerkannt, dass das „W“ nicht für die schwache Wechselwirkung steht, sondern für eine Wechselwirkung, die nicht stärker ist, als es die schwache Kraft zulässt. Wenn wir neue Teilchen jenseits des Standardmodells haben, dürfen wir auch neue Kräfte und Wechselwirkungen haben. Experimente wie XENON und LUX sind unsere einzige Möglichkeit, diese zu untersuchen.

Darüber hinaus sind Kandidaten der dunklen Materie, die durch einen anderen Mechanismus in niedrigeren Massenbereichen erzeugt werden, wie Axionen oder sterile Neutrinos, oder durch die Gravitationswechselwirkung allein bei höheren Massen, wie WIMPzillas, sehr stark im Spiel.

auf der Suche nach einer hypothetischen Wechselwirkung für einen Nicht-WIMP-Kandidaten für dunkle Materie: das Axion. Axionen, wenn sie die dunkle Materie sind, könnten sich durch die elektromagnetische Wechselwirkung in Photonen umwandeln, und der hier gezeigte Hohlraum soll diese Möglichkeit testen. Wenn dunkle Materie jedoch nicht die spezifischen Eigenschaften aufweist, auf die aktuelle Experimente testen, wird keiner der von uns gebauten Detektoren sie jemals direkt finden. Axion Dark Matter Experiment (ADMX) / LLNLS flickr

Unsere Suche nach dunkler Materie im Labor durch direkte Detektionsbemühungen setzt weiterhin wichtige Einschränkungen für die Physik, die über das Standardmodell hinaus vorhanden sein kann. Für diejenigen, die mit Wundern verheiratet sind, erscheinen positive Ergebnisse jedoch immer unwahrscheinlicher. Diese Suche erinnert jetzt an den Betrunkenen, der unter dem Laternenpfahl nach seinen verlorenen Schlüsseln sucht. Er weiß, dass sie nicht da sind, aber es ist der einzige Ort, an dem das Licht scheint, das es ihm ermöglicht zu schauen.

Das WIMP-Wunder könnte tot und verschwunden sein, da Teilchen, die durch die schwache Kraft auf der elektroschwachen Skala interagieren, sowohl von Kollidern als auch von der direkten Detektion benachteiligt wurden. Die Idee von WIMP Dark Matter lebt jedoch weiter. Wir müssen uns nur daran erinnern, wenn Sie WIMP hören, schließen wir dunkle Materie ein, die schwächer und wimpier ist, als es selbst die schwachen Wechselwirkungen erlauben. Es gibt zweifellos etwas Neues im Universum, das darauf wartet, entdeckt zu werden.

Das WEICHEI-Wunder ist vorbei. Aber wir könnten immer noch das beste Wunder von allen bekommen: Wenn diese Experimente etwas über ein Null-Ergebnis hinaus ergeben. Der einzige Weg zu wissen, ist zu schauen.

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