A sötét anyag’ WIMP Miracle ‘ reménye halott

keressen olyan Wimpeket, amelyek az atommagokkal visszahúzódhatnak. Az LZ együttműködés biztosítja a legjobb korlátokat a WIMP-nukleon keresztmetszetekre, de a legjobb motivált forgatókönyvek arra, hogy egy gyenge erő által vezérelt részecske az elektrogyenge skálán vagy annak közelében legyen, a sötét anyag 100%-át teszik ki. LUX-ZEPLIN (LZ) Collaboration / SLAC National Accelerator Laboratory

A Sötét anyag nem csak az univerzum leggyakoribb formája, hanem a legtitokzatosabb is. Míg az összes többi ismert részecske-atomok, neutrínók, fotonok, antianyag és a Standard modellben szereplő összes többi részecske — az ismert kvantumerők legalább egyikén keresztül kölcsönhatásba lép, úgy tűnik, hogy a sötét anyag csak a gravitáción keresztül lép kölcsönhatásba.

sokak szerint jobb lenne láthatatlan anyagnak nevezni, mint sötét anyagnak. Nem csak nem bocsát ki vagy vesz fel fényt, de nem lép kölcsönhatásba az ismert, közvetlenül kimutatható részecskékkel az elektromágneses, erős vagy gyenge nukleáris erők révén. A legkeresettebb sötét anyag jelölt a WIMP: a gyengén kölcsönhatásban lévő masszív részecske. A nagy remény egy WIMP csoda volt, a szuperszimmetria nagyszerű előrejelzése.

2019-et írunk, és ez a remény most szertefoszlott. A közvetlen detektálási kísérletek alaposan kizárták a WIMPs-t, amire számítottunk.

vizsgálja meg az ütköző részecskék belső szerkezetét. Ha egyikük nem alapvető, hanem inkább összetett részecske, ezek a kísérletek feltárhatják annak belső szerkezetét. Itt egy kísérlet célja a sötét anyag/nukleon szórási jel mérése. Vannak azonban sok hétköznapi, háttér hozzájárulások, amelyek hasonló eredményt adhatnak. Ez a jel megjelenik a germánium, a folyékony XENON és a folyékony ARGON detektorokban. Dark Matter Overview: Collider, Direct and Indirect Detection Searches – Queiroz, Farinaldo S. arXiv:1605.08788

az Univerzumnak asztrofizikai szempontból többnek kell lennie, mint az általunk ismert normál anyagnak. A normál anyag ebben az esetben a Standard modell bármely ismert részecskéjének minősül. Ez magában foglal mindent, ami kvarkokból, leptonokból vagy az ismert bozonokból készül, és olyan egzotikus objektumokat is, mint a neutroncsillagok, a fekete lyukak és az antianyag. Az univerzum összes normális anyagát különféle módszerekkel számszerűsítették, és csak körülbelül egy hatodát teszi ki annak, ami összességében jelen kell lennie, hogy megmagyarázza a gravitációs kölcsönhatásokat, amelyeket a kozmikus skálán látunk.

a nagy probléma természetesen az, hogy a sötét anyagra vonatkozó összes bizonyítékunk közvetett. Megfigyelhetjük hatásait az űr asztrofizikai laboratóriumában, de még soha nem észleltük közvetlenül, egy laboratóriumban itt a Földön. Ez nem, ne feledd, a próbálkozás hiánya miatt.

detektor telepítve a nagy vízpajzs belsejében. Ha van nem nulla keresztmetszet a sötét anyag és a normál anyag között, akkor egy ilyen kísérletnek nemcsak esélye van a sötét anyag közvetlen kimutatására, hanem arra is, hogy a sötét anyag végül kölcsönhatásba lép az emberi testtel. INFN

ha közvetlenül szeretné észlelni a sötét anyagot, ez nem olyan egyszerű, mint a Standard modell ismert részecskéinek kimutatása. Bármi, ami kvarkokból, leptonokból vagy az ismert bozonokból áll, számszerűsíthetjük, hogy milyen erők hatnak egymásra és milyen nagyságrenddel. Felhasználhatjuk azt, amit a fizikáról tudunk, és különösen az ismert részecskék közötti ismert erőkről és kölcsönhatásokról, hogy megjósoljuk a mennyiségeket, például a keresztmetszeteket, a bomlási sebességeket és a termékeket, a szórási amplitúdókat és más tulajdonságokat, amelyeket képesek vagyunk mérni a kísérleti részecskefizikában.

2019-től óriási sikert értünk el azokon a frontokon, amelyek megerősítették a Standard modellt oly módon, hogy mind a teoretikusok, mind a kísérletezők csak fél évszázaddal ezelőtt álmodhattak. Az ütközők és az elszigetelt földalatti létesítmények detektorai vezettek előre.

a modelleket most már közvetlenül észlelték, az utolsó visszatartás, a Higgs-bozon, az évtized elején esett az LHC-re. Mindezek a részecskék LHC energiákon hozhatók létre, és a részecskék tömege alapvető állandókhoz vezet, amelyek feltétlenül szükségesek a teljes leírásukhoz. Ezeket a részecskéket jól leírhatja a standard modell alapjául szolgáló kvantumtér-elméletek fizikája, de nem írnak le mindent, mint a sötét anyagot. E. Siegel / a galaxison túl

a standard modell által megjósolt részecskék teljes spektruma van — mind alapvető, mind összetett. Az erős nukleáris, elektromágneses és gyenge nukleáris erők közötti kölcsönhatásuk kiszámítható a kvantumtérelméletben kifejlesztett technikákkal, lehetővé téve számunkra, hogy ezeket a részecskéket különböző módon hozzuk létre és detektáljuk.

minden egyes kvarkot és antikváriumot közvetlenül egy gyorsítóban állítottak elő, a felső kvark, az utolsó Hold, 1995-ben esett le.

minden leptont és antileptont detektorok láttak, a tau neutrínó (és antianyag megfelelője, a tau antineutrino) a 2000-es évek elején-közepén fejezte be a leptonszektort.

és a Standard modell bozonok mindegyikét létrehozták és detektálták, a Higgs-bozonnal, a puzzle utolsó darabjával, amely véglegesen megjelent az LHC-n 2012-ben.

a bozont néhány évvel ezelőtt jelentette be mind a CMS, mind az ATLAS együttműködés. De a Higgs-bozon nem egyetlen ‘tüskét’ okoz az adatokban, hanem egy szétterülő dudort, a tömegben rejlő bizonytalansága miatt. Tömegének értéke 125 GeV / c^2-nél rejtélyes a fizikusok számára, de nem annyira zavaró, mint a sötét anyag rejtvénye. A CMS együttműködés, “a Higgs-bozon diphoton bomlásának megfigyelése és tulajdonságainak mérése”, (2014)

megértjük, hogyan viselkednek a Standard modell részecskék. Szilárd előrejelzéseink vannak arról, hogy hogyan kell kölcsönhatásba lépniük az összes alapvető erőn keresztül, és ezeknek az elméleteknek a kísérleti megerősítése. Rendkívüli korlátaink vannak arra vonatkozóan is, hogy miként engedhetik meg nekik, hogy a Standard modellen kívüli módon lépjenek kapcsolatba. A gyorsítók, a kozmikus sugarak, a bomlási kísérletek, az atomreaktorok stb. korlátozásai miatt számos lehetséges elméletet ki tudtunk zárni.

amikor arról van szó, hogy mi alkothatja a sötét anyagot, csak az asztrofizikai megfigyeléseink és az elméleti munkánk állnak rendelkezésünkre, hogy irányítsanak minket. A lehetséges elméletek, amelyekkel előálltunk, rengeteg sötét anyag jelöltet tartalmaznak, de egyik sem nyert kísérleti támogatást.

pár a sötét anyaghoz vagy sem. A gravitáció bizonyosság; az összes többi vagy nem, vagy erősen korlátozott a kölcsönhatás szintjét illetően. Perimeter Institute

a legkeresettebb sötét anyag jelölt a WIMP: a gyengén kölcsönhatásban lévő masszív részecske. Az első napokban — pl., még az 1970 — es években-rájöttek, hogy egyes részecskefizikai elméletek, amelyek a Standard modellen túl új részecskéket jósoltak, végül új típusú stabil, semleges részecskéket hozhatnak létre, ha van valamilyen új típusú paritás (egyfajta szimmetria), amely megakadályozta őket a bomlásban.

ez most olyan ötleteket tartalmaz, mint a szuperszimmetria, az extra dimenziók vagy a kis Higgs-forgatókönyv. Ezeknek a forgatókönyveknek ugyanaz a közös története:

• amikor az univerzum Korán forró és sűrű volt, az összes létrehozható részecske (és antirészecske) nagy mennyiségben jött létre, beleértve a Standard modellen kívüli extra részecskéket is.
• amikor az univerzum lehűlt, ezek a részecskék fokozatosan könnyebbek és stabilabbak lettek.
• és ha a legkönnyebb stabil (az új paritásszimmetria miatt) és elektromosan semleges lenne, akkor a mai napig fennmaradna.

ha kiértékeljük ezeknek az új részecskéknek a tömegét és keresztmetszetét, akkor megkaphatjuk az előrejelzett sűrűséget a becsült bőségük alapján.

a sötét anyag bősége (y-tengely), a sötét anyagnak megfelelő kölcsönhatási keresztmetszetekre van szüksége a normál anyaggal (balra) és a megfelelő önmegsemmisítési tulajdonságokkal (jobbra). A közvetlen detektálási kísérletek most kizárják ezeket az értékeket, amelyeket a Planck (zöld) szükségessé tesz, elutasítva a gyenge erővel kölcsönhatásban lévő WIMP sötét anyagot. UI Bhupal Dev, Anupam Mazumdar, & Saleh Qutub, Front.in Phys. 2 (2014) 26

innen származik a WIMP sötét anyag ötlete. Ezek az új részecskék nem tudtak kölcsönhatásba lépni az erős vagy elektromágneses kölcsönhatás révén; ezek a kölcsönhatások túl nagy keresztmetszettel rendelkeznek, és már megjelentek volna. De a gyenge nukleáris kölcsönhatás lehetséges. Eredetileg a” W ” A WIMP-ben a gyenge interakciót jelentette, egy látványos egybeesés miatt (amely a szuperszimmetriában jelenik meg) WIMP miracle néven ismert.

ha beírjuk a sötét anyag sűrűségét, amelyet az univerzum ma megkövetel, akkor arra következtethetünk, hogy egy adott tömegből hány sötét anyag részecskére van szükség annak elkészítéséhez. A szuperszimmetria iránti érdeklődés tömegskálája — vagy bármely olyan elmélet, amely az elektrogyenge skálán jelenik meg-a 100 GeV és 1 TeV közötti ballparkban van, így kiszámolhatjuk, hogy mi legyen az önmegsemmisítő keresztmetszet a sötét anyag megfelelő bőségének megszerzéséhez.

ez az érték (a keresztmetszet szorozva a sebességgel) kiderül, hogy 3 körül van 60-26 cm3/s, ami pontosan megfelel annak, amire számíthat, ha az ilyen részecskék kölcsönhatásba lépnek az elektrogyenge erő.

minden olyan alapvető kölcsönhatás, amely az erős, gyenge és elektromágneses erőkre terjed ki, beleértve a nagy energiájú és alacsony hőmérsékletű/kondenzált körülményeket is. Ha van egy új részecske, amely párosul a gyenge kölcsönhatással, akkor valamilyen szinten kölcsönhatásba lép az ismert Standard modell részecskékkel, ezért keresztmetszete van a protonnal és a neutronnal. de Carvalho, Vanuildo S. et al. Nucl.Phys. B875 (2013) 738-756

természetesen, ha bármilyen új részecske kölcsönhatásba lép az elektrogyenge erőn keresztül, akkor azok a Standard modell részecskéihez is kapcsolódnak. Ha egy új részecske párosul például a W vagy Z bozon (amelyek a gyenge erőt hordozzák), akkor véges, nem nulla a valószínűsége annak, hogy ezek a részecskék ütköznek bármely olyan részecskével, amelyhez egy W vagy Z bozon párosul, mint egy kvark egy protonon vagy neutronon belül.

ez azt jelenti, hogy sötét anyag kísérleteket készíthetünk ismert, normális anyagrészecskék nukleáris visszarúgására. A normál anyag által okozott visszarúgások bizonyítékul szolgálnának a sötét anyag létezésére. Persze, vannak háttéresemények: neutronok, neutrínók, radioaktívan bomló magok a környező anyagban stb. De ha ismered a keresett jel energia és lendület kombinációit, és ügyesen megtervezed a kísérletedet, számszerűsítheted a hátteredet, és kinyerhetsz minden lehetséges sötét anyag jelet, ami ott lehet.

a LUX együttműködés, amely gyakorlatilag kizárta a 2000-es korszak utolsó paraméterterét a gyenge erőn keresztül kölcsönhatásban lévő WIMPs számára, amely a sötét anyag 100% – a. Figyeljük meg, hogy a háttérben lévő enyhén árnyékolt területeken a teoretikusok hogyan tesznek új, felülvizsgált előrejelzéseket az alsó és alsó keresztmetszetekre. Nincs jó fizikai motiváció erre. LUX együttműködés, Phys. Lett Tiszteletes. 118, 251302 (2017)

ezek a kísérletek már évtizedek óta folynak, és nem láttak sötét anyagot. A legszigorúbb modern korlátozások a LUX (fent) és a XENON 1T (lent). Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a protonok és neutronok kölcsönhatási keresztmetszete rendkívül kicsi, és mind a spin-függő, mind a spin-független forgatókönyvek esetében eltérőek.

LUX van nekünk le spin-függő keresztmetszeti határértékek alatt 1,0-1,6 6-10-41 cm2 a protonok és neutronok és spin-független Is alatt 1,0 10-46 cm2: elég alacsony ahhoz, hogy kizárja a SUSY dark matter 2001 által javasolt összes modelljét. Egy érzékenyebb kényszer most a XENONBÓL származik: a spin-függő neutron kényszer 6 60-42 cm2, míg a spin-független keresztmetszetek 4,1 10-47 cm alatt vannak2, tovább meghúzva a csavarokat.

most a legszigorúbb határértékeket a XENON1T kísérletből kapja, amely minden korábbi kísérlethez képest javult, beleértve a Luxot is. Míg a teoretikusok és a fenomenológusok kétségtelenül továbbra is új előrejelzéseket készítenek kisebb és kisebb keresztmetszetekkel, a WIMP csoda ötlete elvesztette minden ésszerű motivációját a már meglévő kísérleti eredményekkel. E. Aprile et al., Phys. Lett Tiszteletes. 121, 111302 (2018)

ez más mérés, mint amikor a sötét anyag részecskéi megsemmisülnek, de ez a mérés valami hihetetlenül értékeset mond nekünk. Ezek a kísérletek kizárják a szuperszimmetria vagy az extra dimenziók modelljeit, amelyek a gyenge kölcsönhatások révén a megfelelő sötét anyag bőségét adják. Ha van WIMP sötét anyag, akkor gyengébbnek kell lennie, mint a gyenge kölcsönhatás lehetővé teszi, hogy a sötét anyag 100% – át tartalmazza. Ezenkívül az LHC-nek nem szabad kimutathatóan előállítania.

a teoretikusok mindig módosíthatják modelljeiket, és ezt már sokszor megtették, a várt keresztmetszetet lefelé és lefelé nyomva, mint null eredmény, miután a null eredmény beindult. Ez a legrosszabb tudomány, amit tehet, azonban: a kapufák egyszerű elmozdítása fizikai ok nélkül, kivéve a kísérleti korlátokat, súlyosabbá váltak. Már nincs motiváció, kivéve azt a következtetést, amelyet az adatok kizárnak, ennek során.

aláírások, amelyeket a fizikusok az LHC-nél kerestek, az extra dimenzióktól a sötét anyagon át a szuperszimmetrikus részecskékig a mikro-fekete lyukakig. A nagy energiájú ütközésekből gyűjtött adatok ellenére egyik forgatókönyv sem mutatott bizonyítékot a létezésükre. CERN / ATLAS kísérlet

de ezeknek a közvetlen detektálási kísérleteknek a végrehajtása még mindig hihetetlenül értékes. A sötét anyag előállításának más módjai is vannak, amelyek túlmutatnak a legszokásosabb forgatókönyvön. Továbbá, ezek a korlátok nem teszik szükségessé a sötét anyag nem gyenge forrását. Sok más érdekes forgatókönyv nem igényel WIMP csodát.

évtizedek óta a” W ” nem a gyenge kölcsönhatást jelenti, hanem egy olyan kölcsönhatást, amely nem erősebb, mint amit a gyenge erő megenged. Ha új, a Standard modellen túli részecskéink vannak, akkor új erők és kölcsönhatások is lehetnek. Az olyan kísérletek, mint a XENON és a LUX, az egyetlen módja annak, hogy megvizsgáljuk őket.

ezenkívül a sötét anyag jelöltjei, amelyeket más mechanizmus hoz létre alacsonyabb tömegtartományokban, például axionok vagy steril neutrínók, vagy csak a gravitációs kölcsönhatás révén nagyobb tömegeknél, mint például a Wimpzillák, nagyon játszanak.

hipotetikus interakció kiaknázása egy nem WIMP sötét anyag jelölt számára: az axion. A tengelyek, ha a sötét anyag, az elektromágneses kölcsönhatás révén fotonokká alakulhatnak, és az itt látható üreg arra szolgál, hogy tesztelje ezt a lehetőséget. Ha azonban a sötét anyag nem rendelkezik azokkal a különleges tulajdonságokkal, amelyeket a jelenlegi kísérletek tesztelnek, akkor az általunk épített detektorok egyike sem fogja közvetlenül megtalálni. Axion Dark Matter Experiment (ADMX) / LLNL ‘ s flickr

a sötét anyag laboratóriumi vadászata a közvetlen észlelési erőfeszítések révén továbbra is fontos korlátokat szab annak, hogy a fizika milyen lehet jelen a Standard modellen túl. Azok számára, akik hitvesek a csodákra, bár, bármilyen pozitív eredmény most egyre valószínűtlenebbnek tűnik. Ez a Keresés most a részegre emlékeztet, aki elveszett kulcsait keresi a lámpaoszlop alatt. Tudja, hogy nincsenek ott, de ez az egyetlen hely, ahol a fény, amely lehetővé teszi számára, hogy nézzen, ragyog.

a WIMP csoda halott és eltűnt, mivel az elektrogyenge skálán a gyenge erőn keresztül kölcsönhatásban lévő részecskéket mind az ütközők, mind a közvetlen észlelés nem kedvelte. A WIMP sötét anyag gondolata azonban tovább él. Emlékeznünk kell arra, hogy amikor NYÁVOGÁST hallunk, a sötét anyagot is beleszámítjuk, ami gyengébb és gyöngébb, mint amit még a gyenge kölcsönhatások is lehetővé tesznek. Kétségtelenül van valami új odakint az univerzumban, arra vár, hogy felfedezzék.

a WIMP csoda vége. De még mindig lehet, hogy a legjobb csoda az összes: ha ezek a kísérletek felbukkan valami túl null eredmény. Csak úgy tudhatjuk meg, ha megnézzük.

Kövess engem a Twitteren. Nézze meg a weboldalamat vagy néhány más munkámat itt.