tämä artikkeli on yli 2 vuotta vanha.
etsi nynnyjä, jotka saattavat rekyylätä atomiytimien avulla. LZ-yhteistyö tarjoaa parhaat rajat WIMP-nukleonin poikkileikkauksille, mutta parhaat motivoidut skenaariot siitä, että sähköweakin asteikolla tai sen lähellä oleva heikkovoimainen hiukkanen muodostaa 100% pimeästä aineesta, on jo suljettu pois. Lux-ZEPLIN (LZ) Collaboration / SLAC National Accelerator Laboratory
pimeä aine ei ole vain maailmankaikkeuden runsain aineen muoto, se on myös salaperäisin. Siinä missä kaikki muut tuntemamme hiukkaset — atomit, neutriinot, fotonit, antimateriat ja kaikki muut standardimallin hiukkaset — vuorovaikuttavat ainakin yhden tunnetun kvanttivoiman kautta, pimeä aine näyttää vuorovaikuttavan pelkästään painovoiman kautta.
monien mukaan olisi ollut parempi kutsua sitä näkymättömäksi aineeksi pimeän aineen sijaan. Se ei ainoastaan lähetä tai absorboi valoa, mutta se ei ole vuorovaikutuksessa minkään tunnetun, suoraan havaittavan hiukkasten kanssa sähkömagneettisten, voimakkaiden tai heikkojen ydinvoimien kautta. Etsityin pimeän aineen ehdokas on nössö: heikosti Vuorovaikuttava massiivinen hiukkanen. Suuri toivo oli NYNNYIHME, supersymmetrian suuri ennustus.
on vuosi 2019, ja se toivo on nyt murskana. Suorahavaintokokeet ovat sulkeneet toivomamme Nynnyt pois.
tutki törmäävien hiukkasten sisäinen rakenne. Jos yksi niistä ei ole perustavanlaatuinen, vaan pikemminkin komposiittihiukkanen, nämä kokeet voivat paljastaa sen sisäisen rakenteen. Tässä kokeessa on tarkoitus mitata pimeän aineen / nukleonien sirontasignaalia. On kuitenkin monia arkisia, taustapanostuksia, jotka voisivat antaa samanlaisen tuloksen. Tämä signaali näkyy Germanium -, nestemäinen ksenon-ja nestemäinen ARGON-ilmaisimissa. Dark Matter Overview:Collider, Direct and Indirect Detection Searches – Queiroz, Farinaldo S. arXiv: 1605.08788
Astrofysikaalisesta näkökulmasta maailmankaikkeus on tehtävä muustakin kuin normaalista aineesta, josta tiedämme. Normaali aine, tässä tapauksessa, tarkoittaa mitä tahansa tunnettuja hiukkasia standardimallissa. Se sisältää kaiken kvarkeista, leptoneista tai tunnetuista bosoneista tehdyn, ja sisältää eksoottisia kohteita, kuten neutronitähtiä, mustia aukkoja ja antimateriaa. Kaikki normaali aine maailmankaikkeudessa on kvantifioitu eri menetelmillä, ja se on vain noin kuudesosa siitä, mitä kaiken kaikkiaan täytyy olla, jotta se selittäisi gravitaatiovirtaukset, joita näemme kosmisissa mittakaavoissa.
suuri ongelma on tietenkin se, että kaikki todisteet pimeästä aineesta ovat epäsuoria. Voimme tarkkailla sen vaikutuksia avaruuden astrofysikaalisessa laboratoriossa, – mutta emme ole koskaan havainneet sitä suoraan maan laboratoriossa. Se ei johdu yrittämisen puutteesta.
suuren vesisuojan sisälle asennettu ilmaisin. Jos pimeän aineen ja normaalin aineen välillä on nollasta poikkeava poikkileikkaus,-tällaisella kokeella on mahdollisuus havaita pimeää ainetta suoraan,-mutta on myös mahdollista, että pimeä aine on vuorovaikutuksessa ihmisruumiisi kanssa. INFN
jos halutaan suoraan havaita pimeää ainetta, se ei ole niin yksinkertaista kuin standardimallin tunnettujen hiukkasten havaitseminen. Mitä tahansa kvarkeista, leptoneista tai tunnetuista bosoneista tehtyä voidaan kvantifioida, minkä voimien kautta ja millä suuruusluokalla ne vaikuttavat toisiinsa. Voimme käyttää sitä, mitä tiedämme fysiikasta, ja erityisesti tunnettujen hiukkasten tunnetuista voimista ja vuorovaikutuksista, ennustamaan suureita, kuten poikkileikkauksia, hajoamisnopeuksia ja tuotteita, sironta-amplitudeja ja muita ominaisuuksia, joita pystymme mittaamaan kokeellisessa hiukkasfysiikassa.
vuodesta 2019 lähtien olemme kohdanneet valtavaa menestystä niillä rintamilla, jotka ovat vahvistaneet standardimallin tavoilla, joista sekä teoreetikot että kokeilijat olisivat voineet vain uneksia puoli vuosisataa sitten. Törmäyslaitteissa ja eristetyissä maanalaisissa tiloissa olevat ilmaisimet ovat johtaneet tietä eteenpäin.
malli on nyt kaikki havaittu suoraan, ja viimeinen holdout, Higgsin bosoni, putosi LHC: ssä aiemmin tällä vuosikymmenellä. Kaikki nämä hiukkaset voidaan luoda LHC-energioilla, ja hiukkasten massat johtavat perusvakioihin, jotka ovat ehdottoman välttämättömiä niiden täydelliselle kuvaamiselle. Näitä hiukkasia voidaan hyvin kuvata standardimallin taustalla olevien kvanttikenttäteorioiden fysiikalla, mutta ne eivät kuvaa kaikkea, kuten pimeää ainetta. E. Siegel / galaksin ulkopuolella
on standardimallin ennustama kokonainen spektri hiukkasia — sekä perus — että komposiittihiukkasia. Niiden vuorovaikutus voimakkaiden ydin -, sähkömagneettisten ja heikkojen ydinjoukkojen kautta voidaan laskea kvanttikenttäteoriassa kehitetyillä tekniikoilla, joiden avulla voimme luoda ja havaita näitä hiukkasia monin eri tavoin.
jokainen yksittäinen kvarkki ja antikvarkki on nyt tuotettu suoraan kiihdyttimessä, ja ylin kvarkki, viimeinen holdout, putosi vuonna 1995.
jokainen lepton ja antileptoni on nähty ilmaisimilla, ja tau-neutriino (ja sen antimateriavastine tau-antineutrino) on täydentänyt leptonisektorin 2000-luvun alussa ja puolivälissä.
ja jokainen standardimallin bosoneista on luotu ja havaittu myös, ja Higgsin bosoni, palapelin viimeinen pala, ilmaantui lopullisesti LHC: hen vuonna 2012.
bosonin julkistivat muutama vuosi sitten sekä CMS että ATLAS collaborations. Higgsin bosoni ei kuitenkaan tee ainuttakaan ”piikkiä” dataan, vaan pikemminkin hajaantunutta kolahdusta, johtuen sen luontaisesta massan epävarmuudesta. Sen massan arvo 125 GeV/C^2 on hämmentävä fyysikoille, mutta ei yhtä hämmentävä kuin pimeän aineen arvoitus. The CMS Collaboration, ”Observation of the diphoton decay of The Higgs boson and measurement of its properties”, (2014)
ymmärrämme, miten standardimallin hiukkaset käyttäytyvät. Meillä on vankat ennusteet siitä, miten niiden pitäisi olla vuorovaikutuksessa kaikkien perusvoimien kanssa, ja kokeellinen vahvistus näille teorioille. Meillä on myös poikkeuksellisia rajoitteita sille, miten heidän sallitaan toimia Normaalimallin ulkopuolella. Kiihdyttimien, kosmisten säteiden, hajoamiskokeiden, ydinreaktorien ja muiden rajoitteiden takia olemme pystyneet sulkemaan pois monia mahdollisia teoretisoituja ajatuksia.
mitä tulee siihen, mikä voisi muodostaa pimeän aineen, meillä on kuitenkin vain astrofysikaaliset havainnot ja teoreettinen työmme yhdessä opastamassa meitä. Mahdollisiin teorioihimme sisältyy valtava määrä pimeän aineen ehdokkaita, – mutta yksikään niistä ei ole saanut kokeellista tukea.
pari pimeään aineeseen tai ei. Painovoima on varmuus; kaikki muut eivät joko ole tai ovat hyvin rajoittuneita vuorovaikutuksen tason suhteen. Perimäinstituutti
etsityin pimeän aineen ehdokas on WIMP: heikosti Vuorovaikuttava massiivinen hiukkanen. Alkuaikoina-ts., 1970-luvulla-huomattiin, että jotkin hiukkasfysiikan teoriat, jotka ennustivat uusia hiukkasia standardimallin ulkopuolelta, voisivat lopulta tuottaa uudentyyppisiä vakaita, neutraaleja hiukkasia, jos olisi olemassa jokin uudentyyppinen pariteetti (symmetriatyyppi), joka estäisi niitä hajoamasta.
tähän sisältyvät nyt sellaiset ideat kuin supersymmetria, lisäulottuvuudet tai pikku Higgsin skenaario. Kaikilla näillä skenaarioilla on sama tarina yhteistä:
- kun maailmankaikkeus oli jo varhain kuuma ja tiheä, kaikki mahdolliset hiukkaset (ja antihiukkaset) syntyivät runsain mitoin, mukaan lukien kaikki ylimääräiset, standardimallin ulkopuoliset.
- kun maailmankaikkeus jäähtyi, nämä hiukkaset hajosivat asteittain kevyemmiksi ja vakaammiksi.
- ja jos kevyin olisi stabiili (uuden pariteettisymmetrian vuoksi) ja sähköisesti neutraali, se säilyisi nykypäivään asti.
jos arvioi, mikä näiden uusien hiukkasten massa ja poikkileikkaus ovat, Voi niiden nykyarvioidulle runsaudelle saada ennustetun tiheyden.
pimeän aineen (y-akseli) runsaus, pimeällä aineella on oltava oikeat vuorovaikutuspisteet normaalin aineen (vasen) ja oikean itsesuhilaatio-ominaisuuksien (oikea) kanssa. Suorat havaintokokeet sulkevat nyt pois nämä arvot, jotka Planck (vihreä) vaatii, epäsuosioon heikon voiman kanssa vuorovaikutuksessa olevan NYNNYN pimeän aineen. P. S. Bhupal Dev, Anupam Mazumdar, & Saleh Qutub Front.in liikuntaa. 2 (2014) 26
tästä syntyi ajatus nynnystä pimeästä aineesta. Nämä uudet hiukkaset eivät voineet olla vuorovaikutuksessa vahvan tai sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kautta.; nämä vuorovaikutukset ovat liian suuri poikkileikkaus ja olisi jo näkynyt. Mutta heikko ydinvoima vuorovaikutus on mahdollista. Alun perin WIMPIN” W ” tarkoitti heikkoa vuorovaikutusta, joka johtui näyttävästä yhteensattumasta (joka esiintyy supersymmetriassa), joka tunnetaan WIMP-ihmeenä.
jos mukaan lasketaan maailmankaikkeuden nykyään vaatima pimeän aineen tiheys, voidaan päätellä, kuinka monta pimeän aineen hiukkasta tarvitaan tietystä massasta muodostuakseen. Supersymmetrian — tai minkä tahansa elektroweak-asteikolla esiintyvän teorian-massa-asteikko on 100 GeV: n ja 1 TeV: n välillä, joten voimme laskea, mikä itsesuhilaation poikkileikkauksen täytyy olla, jotta saadaan oikea pimeän aineen runsaus.
tuo arvo (poikkileikkauksen kerrottuna nopeudella) osoittautuu noin 3 × 10-26 cm3/s: ksi, mikä on aivan linjassa sen kanssa, mitä odottaisi, jos tällaiset hiukkaset reagoisivat toisiinsa sähköheikkouden kautta.
jokainen perusvuorovaikutus, joka ulottuu voimakkaisiin, heikkoihin ja sähkömagneettisiin voimiin, myös korkeaenergisissa ja matalalämpötilaisissa/kondensoituneissa olosuhteissa. Jos on olemassa uusi hiukkanen, joka parittaa heikon vuorovaikutuksen, ne vuorovaikuttavat jollain tasolla tunnettujen Standardimallihiukkasten kanssa, ja siten niillä on poikkileikkaus protonin ja neutronin kanssa. de Carvalho, Vanuildo S. et al. Nukl.Liikuntaa. B875 (2013) 738-756
tietenkin, jos uudet hiukkaset vuorovaikuttavat sähkövoiman kautta, – ne myös pariutuvat standardimallin hiukkasiin. Jos Uusi hiukkanen pariutuu esimerkiksi W-tai Z-bosoniin (jotka kantavat heikkoa voimaa), on äärellinen, ei-nolla todennäköisyys, että nämä hiukkaset törmäävät mihin tahansa hiukkaseen, johon W-tai Z-bosoni pariutuu, kuten kvarkkiin protonin tai neutronin sisällä.
tämä tarkoittaa, että voimme rakentaa pimeän aineen kokeita, joissa etsitään ydinreaktoria tunnetuista, normaaleista ainehiukkasista. Normaalin aineen aiheuttamia rekyylejä suuremmat rekyylit olisivat todiste pimeän aineen olemassaolosta. Toki taustatapahtumia on: neutroneja, neutriinoja, radioaktiivisesti hajoavia ytimiä ympäröivässä aineessa jne. Mutta jos tunnet etsimäsi signaalin Energia-ja liikemäärä-yhdistelmät ja suunnittelet kokeesi taitavasti, – voit määrittää taustasi ja poimia mahdolliset pimeän aineen signaalit.
LUX-yhteistoiminta, joka käytännössä sulki pois sen, että viimeinen 2000-aikakauden parametriavaruus heikon voiman kautta vuorovaikutuksessa oleville nynnyille olisi 100% pimeästä aineesta. Huomaa, miten teoreetikot tekevät uusia, ’tarkistettuja’ ennustuksia alemmissa ja alemmissa poikkileikkauksissa. Tähän ei ole hyvää fyysistä motivaatiota. LUX Collaboration, Phys. Pastori Lett. 118, 251302 (2017)
nämä kokeet ovat nyt jatkuneet vuosikymmeniä, eivätkä ole nähneet pimeää ainetta. Tiukimmat nykyaikaiset rajoitteet tulevat LUX (yllä) ja XENON 1T (alla). Nämä tulokset kertovat meille, että protonien ja neutronien vuorovaikutuspoikkeama on harvinaisen pieni ja erilainen sekä spin-riippuvaisissa että spin-riippumattomissa skenaarioissa.
LUX sai meidät linkoriippuvaisiin poikkileikkausrajoihin alle 1,0-1,6 × 10-41 cm2 protoneille ja neutroneille ja spinistä riippumattomille alle 1,0 × 10-46 cm2: tarpeeksi alhainen sulkemaan pois kaikki Susy pimeän aineen mallit, joita ehdotettiin vuoteen 2001 mennessä. Herkempi rajoite tulee nyt KSENONISTA: spin-riippuvainen neutronirajoite on 6 × 10-42 cm2, kun taas spin-riippumattomat poikkileikkaukset ovat alle 4,1 × 10-47 cm2, kiristäen ruuveja entisestään.
saa nyt tiukimmat rajansa KSENON1T-kokeesta, joka on parantunut kaikista aiemmista kokeista, LUX mukaan lukien. Vaikka teoreetikot ja fenomenologit epäilemättä jatkavat uusien ennustusten tuottamista yhä pienemmillä poikkileikkauksilla, ajatus NYNNYIHMEESTÄ on menettänyt kaiken kohtuullisen motivaation jo käsillä olevien kokeellisten tulosten myötä. E. Aprile ym. Phys. Pastori Lett. 121, 111302 (2018)
tämä on eri mitta kuin se, että pimeän aineen hiukkaset tuhoutuvat itsestään, mutta se mittaus kertoo meille jotain uskomattoman arvokasta. Nämä kokeet poissulkevat supersymmetrian tai lisäulottuvuuksien mallit, jotka antavat oikean pimeän aineen runsauden heikkojen vuorovaikutusten kautta. Jos on nössöä pimeää ainetta, sen täytyy olla heikompaa kuin heikko vuorovaikutus sallii käsittämään 100% pimeästä aineesta. Lisäksi LHC: n ei pitäisi havaita tuottavan sitä.
teoreetikot voivat aina muokata mallejaan, ja ovat tehneet niin monta kertaa, työntäen odotetun poikkileikkauksen alas ja alas, kun nollatulos toisensa jälkeen rullaa sisään. Se on pahinta tiedettä, mitä voi tehdä.: pelkkä maalipaikkojen siirtäminen ilman muuta fyysistä syytä kuin kokeelliset rajoitteet ovat koventuneet. Ei ole enää mitään motivaatiota, muuta kuin mieluummin johtopäätös, että data sulkee pois, tehdä niin.
fyysikoiden LHC: ssä etsimiä allekirjoituksia ylimääräisistä ulottuvuuksista pimeään aineeseen supersymmetrisiin hiukkasiin mikro-mustiin aukkoihin. Huolimatta tiedoista, joita olemme keränneet näistä korkeaenergisistä törmäyksistä, yksikään näistä skenaarioista ei ole osoittanut todisteita niiden olemassaolosta. CERN / ATLAS experiment
, mutta näiden suorien havaintokokeiden suorittaminen on edelleen uskomattoman arvokasta. Pimeän aineen tuottamiseen on muitakin tapoja, jotka ylittävät tavanomaisimman skenaarion. Lisäksi nämä rajoitteet eivät edellytä ei-nössöä pimeän aineen lähdettä. Monet muut mielenkiintoiset skenaariot eivät tarvitse NYNNYIHMETTÄ.
monien vuosikymmenten ajan” W”: n ei ole tunnustettu edustavan heikkoa vuorovaikutusta, vaan sellaista vuorovaikutusta, joka ei ole vahvempi kuin heikko voima sallii. Jos meillä on uusia, standardimallin ylittäviä hiukkasia, meillä saa olla myös uusia voimia ja vuorovaikutuksia. Xenonin ja Luxin kaltaiset kokeet ovat ainoa keino tutkia niitä.
myös pimeän aineen ehdokkaat, jotka syntyvät eri mekanismilla pienemmillä massaväleillä, kuten aksioneilla tai steriileillä neutriinoilla, tai pelkän gravitaatiovuorovaikutuksen kautta suuremmilla massoilla, kuten Wimpzilloilla, ovat hyvin suuressa roolissa.
etsii hypoteettista vuorovaikutusta ei-NYNNYN pimeän aineen ehdokkaalle: aksionille. Aksionit, jos ne ovat pimeää ainetta, voivat muuttua fotoneiksi sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kautta, ja tässä esitetty ontelo on suunniteltu testaamaan tätä mahdollisuutta. Kuitenkin, jos pimeällä aineella ei ole erityisiä ominaisuuksia, joita nykyiset kokeet testaavat, yksikään rakentamistamme ilmaisimista ei löydä sitä suoraan. Axion Dark Matter Experiment (ADMX) / LLNL: n flickr
pimeän aineen etsintä laboratoriossa suorien havaitsemispyrkimysten avulla asettaa edelleen tärkeitä rajoitteita sille, mitä fysiikkaa voi olla standardimallin ulkopuolella. Ne, jotka ovat sitoutuneet ihmeisiin, näyttävät nyt kuitenkin yhä epätodennäköisemmiltä. Tuo etsintä tuo nyt mieleen humalaisen, joka etsii kadonneita avaimiaan lyhtypylvään alta. Hän tietää, etteivät ne ole siellä, mutta se on ainoa paikka, jossa valo, jonka avulla hän voi katsoa, loistaa.
WIMP-ihme saattaa olla kuollut ja poissa, sillä heikon voiman kautta sähköweak-asteikolla vuorovaikutuksessa olevat hiukkaset ovat joutuneet epäsuosioon sekä törmääjien että suoran havaitsemisen avulla. Ajatus nynnystä pimeästä aineesta kuitenkin elää. Pitää vain muistaa, että kun kuulee NYNNYN, mukana on pimeää ainetta, joka on heikompaa ja nynnymäisempää kuin heikot vuorovaikutuksetkin sallivat. Universumissa on epäilemättä jotain uutta, joka odottaa löytämistään.
NYNNYIHME on ohi. Mutta voimme silti saada paras ihme kaikista: Jos nämä kokeet osoittautua jotain yli nolla tulos. Ainoa tapa tietää on katsoa.
Hanki Forbesin parhaat sähköpostiisi asiantuntijoiden uusimmilla oivalluksilla ympäri maailmaa.
Seuraa minua Twitterissä. Tutustu sivustooni tai joihinkin muihin töihini täällä.
Ladataan …
