La speranza ‘WIMP Miracle’ per la materia oscura è morta

cercare WIMP che possono rinculo con nuclei atomici. La collaborazione LZ fornirà i migliori limiti sulle sezioni trasversali WIMP-nucleone di tutti, ma i migliori scenari motivati per avere una particella a forza debole o vicino alla scala elettrodebole costituiscono il 100% della materia oscura sono già esclusi. LUX-ZEPLIN (LZ) Collaboration / SLAC National Accelerator Laboratory

La materia oscura non è solo la forma più abbondante di materia nell’Universo, è anche la più misteriosa. Mentre tutte le altre particelle che conosciamo — atomi, neutrini, fotoni, antimateria e tutte le altre particelle nel Modello Standard — interagiscono attraverso almeno una delle forze quantistiche conosciute, la materia oscura sembra interagire attraverso la sola gravità.

Secondo molti, sarebbe meglio chiamarla materia invisibile, piuttosto che materia oscura. Non solo non emette o assorbe la luce, ma non interagisce con nessuna delle particelle conosciute, direttamente rilevabili attraverso le forze nucleari elettromagnetiche, forti o deboli. Il più ricercato candidato materia oscura è il WIMP: la particella massiccia debolmente interagente. La grande speranza era per un miracolo WIMP, una grande previsione della supersimmetria.

È il 2019 e quella speranza è ora tratteggiata. Gli esperimenti di rilevamento diretto hanno completamente escluso i WIMP che speravamo.

sonda la struttura interna delle particelle in collisione. Se uno di essi non è fondamentale, ma è piuttosto una particella composita, questi esperimenti possono rivelare la sua struttura interna. Qui, un esperimento è progettato per misurare il segnale di scattering materia oscura/nucleone. Tuttavia, ci sono molti banali, contributi di fondo che potrebbero dare un risultato simile. Questo particolare segnale apparirà nei rivelatori di germanio, XENO liquido e ARGON liquido. Panoramica della materia oscura: Collider, Direct and Indirect Detection Searches-Queiroz, Farinaldo S. arXiv:1605.08788

L’Universo, da una prospettiva astrofisica, deve essere fatto di più della semplice materia normale che conosciamo. La materia normale, in questo caso, si qualifica come una qualsiasi delle particelle note nel Modello standard. Include qualsiasi cosa fatta da quark, leptoni o bosoni noti e include oggetti esotici come stelle di neutroni, buchi neri e antimateria. Tutta la materia normale nell’Universo è stata quantificata attraverso una varietà di metodi, e ammonta solo a circa un sesto di ciò che deve essere presente, nel complesso, per spiegare le interazioni gravitazionali che vediamo su scale cosmiche.

Il grosso problema, ovviamente, è che tutte le nostre prove per la materia oscura sono indirette. Possiamo osservare i suoi effetti nel laboratorio astrofisico dello spazio, ma non l’abbiamo mai rilevato direttamente, in un laboratorio qui sulla Terra. Questo non è, intendiamoci, per mancanza di tentativi.

rivelatore installato all’interno del grande schermo dell’acqua. Se c’è una sezione diversa da zero tra materia oscura e materia normale, non solo un esperimento come questo avrà la possibilità di rilevare direttamente la materia oscura, ma c’è la possibilità che la materia oscura interagisca con il tuo corpo umano. INFN

Se si desidera rilevare direttamente la materia oscura, non è così semplice come rilevare le particelle note del modello Standard. Per qualsiasi cosa fatta di quark, leptoni o bosoni conosciuti, possiamo quantificare quali forze interagiscono attraverso e con quale grandezza. Possiamo usare ciò che sappiamo sulla fisica, e in particolare sulle forze note e le interazioni tra le particelle note, per prevedere quantità come sezioni trasversali, tassi di decadimento e prodotti, ampiezze di dispersione e altre proprietà che siamo in grado di misurare nella fisica delle particelle sperimentale.

A partire dal 2019, abbiamo incontrato un enorme successo su quei fronti che hanno confermato il Modello Standard in modi che teorici e sperimentalisti avrebbero potuto solo sognare mezzo secolo fa. Rivelatori a colliders e isolati, strutture sotterranee hanno aperto la strada in avanti.

I modelli sono stati tutti rilevati direttamente, con l’ultimo holdout, il bosone di Higgs, che cade all’LHC all’inizio di questo decennio. Tutte queste particelle possono essere create alle energie di LHC, e le masse delle particelle portano a costanti fondamentali che sono assolutamente necessarie per descriverle pienamente. Queste particelle possono essere ben descritte dalla fisica delle teorie di campo quantistiche alla base del Modello Standard, ma non descrivono tutto, come la materia oscura. E. Siegel / Oltre la galassia

C’è un intero spettro di particelle — sia fondamentali che composite — previsto dal Modello Standard. Le loro interazioni attraverso le forze nucleari forti, elettromagnetiche e deboli possono essere calcolate attraverso tecniche sviluppate nella teoria dei campi quantistici, permettendoci di creare e rilevare quelle particelle in una varietà di modi.

Ogni singolo quark e antiquark è stato ora prodotto direttamente in un acceleratore, con il quark top, l’ultimo holdout, che cade nel 1995.

Ogni leptone e antilepton è stato visto da rilevatori, con il neutrino tau (e la sua controparte di antimateria, il tau antineutrino) completare il leptone settore nella prima metà degli anni 2000.

E ogni Modello Standard bosoni è stato creato e riconosciuto come bene, con il bosone di Higgs, l’ultimo pezzo del puzzle, in definitiva, che compaiono in LHC nel 2012.

boson è stato annunciato alcuni anni fa da entrambe le collaborazioni CMS e ATLAS. Ma il bosone di Higgs non fa un singolo “picco” nei dati, ma piuttosto un urto diffuso, a causa della sua intrinseca incertezza nella massa. Il valore della sua massa a 125 GeV/c^2 è sconcertante per i fisici, ma non così sconcertante come il puzzle della materia oscura. La collaborazione CMS, “Osservazione del decadimento diphoton del bosone di Higgs e misurazione delle sue proprietà”, (2014)

Comprendiamo come si comportano le particelle del modello standard. Abbiamo previsioni solide su come dovrebbero interagire attraverso tutte le forze fondamentali e conferma sperimentale di quelle teorie. Abbiamo anche vincoli straordinari su come sono autorizzati a interagire in una moda oltre lo Standard. A causa dei nostri vincoli da acceleratori, raggi cosmici, esperimenti di decadimento, reattori nucleari e altro ancora, siamo stati in grado di escludere molte possibili idee che sono state teorizzate.

Quando si tratta di ciò che potrebbe costituire la materia oscura, tuttavia, tutto ciò che abbiamo sono le osservazioni astrofisiche e il nostro lavoro teorico, in tandem, per guidarci. Le possibili teorie che abbiamo escogitato includono un numero enorme di candidati alla materia oscura, ma nessuno che ha raccolto alcun supporto sperimentale.

accoppia alla materia oscura o no. La gravità è una certezza; tutti gli altri sono o non lo fanno o sono altamente vincolati per quanto riguarda il livello di interazione. Perimeter Institute

Il candidato più ricercato per la materia oscura è il WIMP: la particella massiccia debolmente interagente. Nei primi giorni — cioè., indietro nel 1970-si è reso conto che alcune teorie di fisica delle particelle che prevedevano nuove particelle oltre il modello Standard potrebbero alla fine produrre nuovi tipi di particelle stabili e neutre se ci fosse un nuovo tipo di parità (un tipo di simmetria) che impediva loro di decadere.

Questo ora include idee come la supersimmetria, le dimensioni extra o il piccolo scenario di Higgs. Tutti questi scenari hanno la stessa storia in comune:

• Quando l’Universo era caldo e denso all’inizio, tutte le particelle (e antiparticelle) che potevano essere create furono create in grande abbondanza, incluse quelle extra, oltre quelle Standard.
• Quando l’Universo si raffreddò, quelle particelle decadevano in quelle progressivamente più leggere e stabili.
• E se il più leggero fosse stabile (a causa della nuova simmetria di parità) ed elettricamente neutro, persisterebbe fino ai giorni nostri.

Se si valuta quale sia la massa e la sezione trasversale di queste nuove particelle, è possibile ottenere una densità prevista per la loro abbondanza stimata oggi.

abbondanza di materia oscura (asse y), è necessario che la materia oscura abbia le giuste sezioni trasversali di interazione con la materia normale (a sinistra) e le giuste proprietà di auto-annientamento (a destra). Gli esperimenti di rilevamento diretto ora escludono questi valori, resi necessari da Planck (verde), disapprovando la materia oscura WIMP che interagisce con la forza debole. P.S. Bhupal Dev, Anupam Mazumdar, & Saleh Qutub, Front.in Phys. 2 (2014) 26

Questo è dove l’idea di materia oscura WIMP è venuto da. Queste nuove particelle non potrebbero aver interagito attraverso l’interazione forte o elettromagnetica; quelle interazioni hanno una sezione trasversale troppo alta e si sarebbero già presentate. Ma la debole interazione nucleare è una possibilità. Originariamente, la” W ” in WIMP stava per l’interazione debole, a causa di una spettacolare coincidenza (che appare in supersimmetria) nota come il miracolo di WIMP.

Se si inserisce la densità di materia oscura che l’Universo richiede oggi, è possibile dedurre quante particelle di materia oscura è necessario di una data massa per formarla. La scala di massa di interesse per la supersimmetria – o qualsiasi teoria che appare alla scala elettrodebole-è nel campo da 100 GeV a 1 TeV, quindi possiamo calcolare quale deve essere la sezione trasversale di auto-annientamento per ottenere la giusta abbondanza di materia oscura.

Quel valore (di sezione trasversale moltiplicato per la velocità) risulta essere di circa 3 × 10-26 cm3/s, che è proprio in linea con quello che ci si aspetterebbe se tali particelle interagissero attraverso la forza elettrodebole.

ogni interazione fondamentale che abbraccia le forze forti, deboli ed elettromagnetiche, anche in condizioni di alta energia e bassa temperatura/condensato. Se c’è una nuova particella che si accoppia all’interazione debole, interagiranno, a un certo livello, con le particelle Modello standard note, e quindi hanno una sezione trasversale con il protone e il neutrone. de Carvalho, Vanuildo S. et al. Nuclide.Phys. B875 (2013) 738-756

Naturalmente, se qualche nuova particella interagisce attraverso la forza elettrodebole, si accoppierebbe anche con le particelle del modello Standard. Se una nuova particella si accoppia, ad esempio, al bosone W o Z (che porta la forza debole), allora c’è una probabilità finita, diversa da zero che queste particelle si scontrino con qualsiasi particella a cui un bosone W o Z si accoppia, come un quark all’interno di un protone o neutrone.

Ciò significa che possiamo costruire esperimenti sulla materia oscura alla ricerca di un rinculo nucleare di particelle di materia conosciute e normali. I recoils oltre quelli causati dalla materia normale sarebbero la prova dell’esistenza della materia oscura. Certo, ci sono eventi di fondo: neutroni, neutrini, nuclei in decomposizione radioattiva nella materia circostante,ecc. Ma se conosci le combinazioni di energia e quantità di moto del segnale che stai cercando, e progetti il tuo esperimento in modo intelligente, puoi quantificare il tuo background ed estrarre qualsiasi potenziale segnale di materia oscura che potrebbe esserci.

la collaborazione LUX, che di fatto escludeva l’ultimo spazio parametrico dell’era 2000 per i WIMP che interagivano attraverso la forza debole che era il 100% della materia oscura. Nota, nelle aree leggermente ombreggiate sullo sfondo, come i teorici stanno facendo nuove previsioni “riviste” a sezioni trasversali inferiori e inferiori. Non c’è una buona motivazione fisica per farlo. LUX Collaborazione, Phys. Rev. Lett. 118, 251302 (2017)

Questi esperimenti sono ormai in corso da decenni, e non hanno visto materia oscura. I vincoli moderni più rigorosi provengono da LUX (sopra) e XENON 1T (sotto). Questi risultati ci informano che la sezione trasversale di interazione per protoni e neutroni è straordinariamente piccola, e sono diversi per entrambi gli scenari spin-dipendenti e spin-indipendenti.

LUX ci ha portato ai limiti di sezione trasversale dipendenti dallo spin inferiori a 1,0-1,6 × 10-41 cm2 per protoni e neutroni e quelli indipendenti dallo spin inferiori a 1,0 × 10-46 cm2: abbastanza basso da escludere tutti i modelli di SUSY dark matter proposti dal 2001. Un vincolo più sensibile viene ora dallo XENO: il vincolo del neutrone dipendente dallo spin è 6 × 10-42 cm2, mentre le sezioni trasversali indipendenti dallo spin sono inferiori a 4,1 × 10-47 cm2, stringendo ulteriormente le viti.

ora ottiene i suoi limiti più severi dall’esperimento XENON1T, che è migliorato rispetto a tutti gli esperimenti precedenti, incluso LUX. Mentre teorici e fenomenologi continueranno senza dubbio a produrre nuove previsioni con sezioni trasversali sempre più piccole, l’idea di un miracolo WIMP ha perso ogni ragionevole motivazione con i risultati sperimentali che abbiamo già in mano. E. Aprile et al., Phys. Rev. Lett. 121, 111302 (2018)

Questa è una misura diversa dall’avere particelle di materia oscura che si auto-annichiliscono, ma quella misurazione ci dice qualcosa di incredibilmente prezioso. I modelli di supersimmetria o dimensioni extra che danno le giuste abbondanze di materia oscura attraverso le interazioni deboli sono esclusi da questi esperimenti. Se c’è materia oscura WIMP, deve essere più debole di quanto l’interazione debole permetta di comprendere il 100% della materia oscura. Inoltre, l’LHC non dovrebbe produrlo in modo rilevabile.

I teorici possono sempre modificare i loro modelli e hanno fatto così tante volte, spingendo la sezione trasversale prevista verso il basso e verso il basso come risultato nullo dopo il risultato nullo. Questo è il peggior tipo di scienza che puoi fare, comunque: semplicemente spostando i pali della porta per nessun motivo fisico diverso dai tuoi vincoli sperimentali sono diventati più severi. Non c’è più alcuna motivazione, se non quella di preferire una conclusione che i dati escludono, nel farlo.

firme che i fisici hanno cercato all’LHC, dalle dimensioni extra alla materia oscura alle particelle supersimmetriche ai micro-buchi neri. Nonostante tutti i dati che abbiamo raccolto da queste collisioni ad alta energia, nessuno di questi scenari ha mostrato prove a sostegno della loro esistenza. CERN / ATLAS experiment

Ma eseguire questi esperimenti di rilevamento diretto è ancora incredibilmente prezioso. Ci sono altri modi per produrre materia oscura che vanno oltre lo scenario più convenzionale. Inoltre, questi vincoli non richiedono una fonte non-WIMPy di materia oscura. Molti altri scenari interessanti non hanno bisogno di un miracolo WIMP.

Per molti decenni, la “W” è stata riconosciuta non per l’interazione debole, ma per un’interazione non più forte di quella consentita dalla forza debole. Se abbiamo particelle nuove, oltre il Modello Standard, ci è permesso avere anche nuove forze e interazioni. Esperimenti come XENON e LUX sono il nostro unico modo per sondarli.

Inoltre, i candidati di materia oscura che sono prodotti da un meccanismo diverso a intervalli di massa inferiori, come assioni o neutrini sterili, o attraverso l’interazione gravitazionale da sola a masse più alte, come le WIMPzillas, sono molto in gioco.

cercando di sfruttare un’ipotetica interazione per un candidato di materia oscura non-WIMP: l’axion. Gli assioni, se sono la materia oscura, potrebbero convertirsi in fotoni attraverso l’interazione elettromagnetica, e la cavità mostrata qui è progettata per testare questa possibilità. Tuttavia, se la materia oscura non ha le proprietà specifiche per cui gli esperimenti attuali stanno testando, nessuno dei rivelatori che abbiamo costruito lo troverà mai direttamente. Axion Dark Matter Experiment (ADMX) / LLNL’s flickr

La nostra caccia alla materia oscura in laboratorio, attraverso sforzi di rilevamento diretto, continua a porre importanti vincoli su ciò che la fisica può essere presente oltre il modello Standard. Per quelli sposati ai miracoli, però, ogni risultato positivo ora appare sempre più improbabile. Quella ricerca ora ricorda l’ubriaco che cerca le chiavi perse sotto il lampione. Sa che non ci sono, ma è l’unico posto in cui brilla la luce che gli permette di guardare.

Il miracolo di WIMP potrebbe essere morto e scomparso, poiché le particelle che interagiscono attraverso la forza debole sulla scala elettrodebole sono state sfavorite sia dai collider che dal rilevamento diretto. L’idea di materia oscura WIMP, tuttavia, vive. Dobbiamo solo ricordare, quando senti WIMP, includiamo la materia oscura che è più debole e più debole di quanto anche le interazioni deboli consentiranno. C’è indubbiamente qualcosa di nuovo là fuori nell’Universo, in attesa di essere scoperto.

Il miracolo di WIMP è finito. Ma potremmo ancora ottenere il miglior miracolo di tutti: se questi esperimenti si rivelassero qualcosa al di là di un risultato nullo. L’unico modo per sapere è guardare.

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