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原子核に反跳する可能性のある弱虫を探してください。 LZのコラボレーションは、すべてのWIMP-核子断面に最高の限界を提供しますが、電弱スケールまたはその近くに弱い力駆動粒子が暗黒物質の100％を構成するた LUX-ZEPLIN(LZ)Collaboration|SLAC国立加速器研究所
暗黒物質は宇宙の中で最も豊富な物質であるだけでなく、最も神秘的な物質でもあります。 私たちが知っている他のすべての粒子—原子、ニュートリノ、光子、反物質、および標準モデルの他のすべての粒子—は、既知の量子力の少なくとも1つを通
多くの人によると、暗黒物質ではなく、目に見えない物質と呼んだ方が良いだろう。 それは光を放出または吸収しないだけでなく、電磁力、強い、または弱い核力を介して既知の、直接検出可能な粒子のいずれかと相互作用しません。 ダークマター候補の後で最も求められているのは弱虫です: 弱く相互作用する大規模な粒子。 大きな希望は、弱虫の奇跡、超対称性の偉大な予測のためでした。
それは2019年であり、その希望は今破線になっています。 直接検出実験は、私たちが望んでいた弱虫を徹底的に排除しました。
衝突する粒子の内部構造を調べる。 それらのうちの1つが基本的ではなく、むしろ複合粒子である場合、これらの実験はその内部構造を明らかにすることができます。 ここでは、ダークマター/核子散乱信号を測定するための実験を設計しています。 しかし、同様の結果をもたらす可能性のある多くの世俗的な背景の貢献があります。 この特定の信号は、ゲルマニウム、液体キセノン、液体アルゴン検出器に表示されます。 Dark Matter Overview:Collider,Direct and Indirect Detection Searches-Queiroz,Farinaldo S.arXiv:1605.08788
宇宙は、天体物理学的観点から見ると、私たちが知っている通常の物質以上のもので作られていなければなりません。 通常の物質は、この例では、標準モデルの既知の粒子のいずれかとして適格である。 それはクォーク、レプトン、または既知のボソンから作られたものを含み、中性子星、ブラックホール、反物質のようなエキゾチックな物体を含む。 宇宙のすべての正常な物質は様々な方法で定量化されており、宇宙スケールで見る重力相互作用を説明するためには、全体的に存在しなければならないものの約六分の一までしか合計されていません。
大きな問題は、もちろん、暗黒物質に関する私たちの証拠はすべて間接的であるということです。 私たちは宇宙の天体物理学の実験室でその効果を観察することができますが、私たちは地球上の実験室でそれを直接検出したことはありません。 それは、試みの欠乏のために、気にしない。
大型水シールドの内側に設置された検出器。 ダークマターと通常の物質の間にゼロ以外の断面がある場合、このような実験はダークマターを直接検出する機会があるだけでなく、ダークマターが最終的にあなたの人間の体と相互作用する可能性があります。 INFN
ダークマターを直接検出したいのであれば、標準モデルの既知の粒子を検出するほど簡単ではありません。 クォーク、レプトン、または既知のボソンから作られたものについては、それらがどのような力を介してどのような大きさで相互作用するかを定量化 物理学、特に既知の粒子間の既知の力と相互作用について知っていることを使用して、断面積、崩壊速度と生成物、散乱振幅、および実験素粒子物理学で測定できる他の特性のような量を予測することができます。
2019年現在、私たちは、理論家と実験家の両方が半世紀前に夢見ていた方法で標準モデルを確認したそれらの面で大きな成功を収めています。 コライダーおよび隔離された、地下設備の探知器は道を先に導いた。
モデルはすべて直接検出されており、最後のホールドアウトであるヒッグス粒子は、この十年の初めにLHCに落ちています。 これらの粒子はすべてLHCエネルギーで生成することができ、粒子の質量はそれらを完全に記述するために絶対に必要な基本定数につながります。 これらの粒子は、標準モデルの基礎となる量子場理論の物理学によってよく記述することができますが、ダークマターのようにすべてを記述するわけで E. Siegel/銀河を超えて
標準モデルによって予測される粒子のスペクトルは、基本的なものと複合的なものの両方があります。 強い核力、電磁力、弱い核力を介したそれらの相互作用は、場の量子論で開発された技術によって計算することができ、それらの粒子を様々な方法で作
すべてのクォークとアンティーククォークは現在、加速器で直接生産されており、トップクォーク、最後のホールドアウトは1995年に落ちている。
すべてのレプトンと反レプトンが検出器によって見られ、タウニュートリノ（およびその反物質の対応物であるタウ反ニュートリノ）が2000年代初頭から半ばにかけてレプトンセクターを完成させた。
そして標準模型ボソンのすべてが作成され、検出され、パズルの最後のピースであるヒッグスボソンが2012年にLHCに登場した。
bosonは数年前にCMSとATLASの両方のコラボレーションによって発表されました。 しかし、ヒッグス粒子は、質量の固有の不確実性のために、データに単一の”スパイク”を作るのではなく、むしろ広がりのバンプを作ります。 125GeV/c^2での質量の値は物理学者にとっては不可解ですが、暗黒物質のパズルほど不可解ではありません。 CMSの共同研究”ヒッグス粒子の二光子崩壊の観測とその性質の測定”, (2014)
我々は、標準モデルの粒子がどのように振る舞うかを理解しています。 我々は、それらがすべての基本的な力を介してどのように相互作用するべきかについての確かな予測と、それらの理論の実験的確認を持っています。 私たちはまた、彼らが標準モデルを超えた方法でどのように相互作用することが許可されているかについて特別な制約を持っています。 加速器、宇宙線、崩壊実験、原子炉などからの制約のために、私たちは理論化された多くの可能なアイデアを排除することができました。
しかし、暗黒物質を構成する可能性があるものに関しては、私たちが持っているのは天体物理学的観測と、私たちを導くための理論的研究だけです。 私たちが思いついた可能性のある理論には、膨大な数の暗黒物質候補が含まれていますが、実験的な支持を得ているものはありません。
暗黒物質に結合するかどうか。 重力は確実性であり、他のすべては相互作用のレベルに関してそうでないか、または非常に制約されています。 ペリメーター・インスティテュート
最も求められている暗黒物質の候補は、弱相互作用する巨大粒子であるWIMPです。 初期の頃には-すなわち 1970年代には、標準モデルを超えて新しい粒子を予測した素粒子物理学の理論の中には、崩壊を防ぐ新しいタイプのパリティ（対称性のタイプ）があれば、最終的に新しいタイプの安定した中性粒子を生成することができるということが実現されました。
これには、超対称性、余分な次元、または小さなヒッグスのシナリオのようなアイデアが含まれています。 これらのシナリオはすべて共通して同じ話をしています:
- 宇宙が高温で密度が高かった初期には、作成可能なすべての粒子（および反粒子）は、標準モデルを超えた余分なものを含め、非常に豊富に作成され
- 宇宙が冷えると、それらの粒子は徐々に軽くて安定した粒子に崩壊しました。
- そして、最も軽いものが（新しいパリティ対称性のために）安定で電気的に中立であれば、それは今日まで持続するでしょう。
これらの新しい粒子の質量と断面積を評価すると、今日の推定された存在量の予測密度を得ることができます。
暗黒物質の存在量（y軸）、暗黒物質が正常物質との適切な相互作用断面積（左）と適切な自己消滅特性（右）を持つ必要があります。 直接検出実験では、プランク（緑）によって必要とされるこれらの値を除外し、弱い力相互作用するWIMPダークマターを嫌う。 P.S.Bhupal Dev,Anupam Mazumdar,&Saleh Qutub,Front.in フィス 2 (2014) 26
これは、弱虫ダークマターのアイデアがどこから来たのかです。 これらの新しい粒子は、強い相互作用または電磁相互作用を介して相互作用することができませんでした; これらの相互作用は断面が高すぎて、すでに現れているでしょう。 しかし、弱い核相互作用は可能性があります。 もともと、WIMPの”W”は、WIMPの奇跡として知られている壮大な偶然の一致（超対称性に現れる）のために、弱い相互作用のために立っていました。
今日の宇宙が必要とする暗黒物質の密度を入れると、それを補うために必要な暗黒物質の粒子の数を推測することができます。 超対称性のための関心のある質量スケール—または電弱スケールで現れる任意の理論—は100GeVから1TeVの球場にあるので、我々は彼らが暗黒物質の適切な量を得るために自己消滅断面積が何でなければならないかを計算することができます。
その値（断面積に速度を掛けた値）は約3×10-26cm3/sであることが判明しました。
高エネルギーおよび低温/凝縮条件を含む、強、弱、電磁力にまたがるすべての基本的な相互作用。 弱い相互作用に結合する新しい粒子がある場合、それらは既知の標準モデル粒子とあるレベルで相互作用し、したがって陽子と中性子との断面を de Carvalho,Vanuildo S.et al. Nucl.フィス B875(2013) 738-756
もちろん、新しい粒子が電弱力を介して相互作用する場合、それらは標準モデルの粒子にも結合します。 新しい粒子がwまたはZボソン（弱い力を持つ）に結合する場合、これらの粒子がwまたはZボソンが結合する任意の粒子と衝突する可能性は有限でゼロではありません陽子または中性子内のクォークのように。
これは、既知の通常の物質粒子の核反跳を探すダークマター実験を構築できることを意味します。 通常の物質によって引き起こされるものを超えた反動は、暗黒物質の存在の証拠であろう。 確かに、背景イベントがあります：中性子、ニュートリノ、周囲の物質の核を放射的に崩壊させるなど。 しかし、探している信号のエネルギーと運動量の組み合わせを知っていて、実験を巧みに設計すれば、背景を定量化し、そこにある可能性のある暗黒物質の信号を抽出することができます。
ダークマターの100％である弱い力を介して相互作用する弱虫のための2000時代のパラメータ空間の最後を効果的に除外したLUXコラボレーション。 背景にある軽く影付きの領域では、理論家がどのようにして新しい、”改訂された”予測を下部および下部の断面で行っているかに注意してください。 これを行うには良い物理的な動機はありません。 ラックスコラボ、フィス。 レット牧師 118, 251302 (2017)
これらの実験は現在数十年にわたって進行中であり、ダークマターは見られていませんでした。 最も厳しい現代の制約は、ルクス（上）とキセノン1T（下）から来ています。 これらの結果から，陽子と中性子の相互作用断面積は非常に小さく，スピン依存シナリオとスピン非依存シナリオの両方で異なっていることが分かった。
ルクスは、陽子と中性子の場合は1.0-1.6×10-41cm2以下、スピンに依存しない場合は1.0×10-46cm2以下のスピン依存断面限界まで下げました: 2001年までに提案されたSUSY暗黒物質のすべてのモデルを除外するのに十分なほど低い。 スピン依存性中性子制約は6×10-42cm2であり、スピン依存性断面積は4.1×10-47cm2以下であり、さらにねじを締め付ける。
は現在、XENON1T実験から最も厳しい制限を取得しており、これはLUXを含む以前のすべての実験よりも改善されています。 理論家や現象学者は間違いなく、より小さな断面で新しい予測を生成し続けるだろうが、弱虫の奇跡のアイデアは、我々はすでに手に持っている実験 E.Aprile et al.、フィス レット牧師 121, 111302 (2018)
これはダークマター粒子を自己消滅させることとは異なる測定ですが、その測定は私たちに信じられないほど貴重なものを教えてくれます。 弱い相互作用によって正しい暗黒物質の存在量を与える超対称性または余分な次元のモデルは、これらの実験によって除外されている。 弱虫暗黒物質が存在する場合、それは暗黒物質の100％を構成するために弱い相互作用が許すよりも弱くなければなりません。 さらに、LHCは検出可能にそれを作り出すべきではないです。
理論家は常にモデルを微調整することができ、null結果がロールインした後にnull結果として予想される断面を上下に押し下げることができます。 しかし、それはあなたができる最悪の種類の科学です: 単にあなたの実験的な制約以外の物理的な理由のためにゴールポストをシフトすることは、より深刻になってきました。 そうすることで、データが除外されているという結論を好む以外に、もはや動機はありません。
物理学者は、余分な次元から暗黒物質、超対称粒子、マイクロブラックホールまで、LHCで求めてきた署名。 これらの高エネルギー衝突から収集したすべてのデータにもかかわらず、これらのシナリオのどれも、それらの存在を支持する証拠を示していません。 CERN/ATLAS実験
しかし、これらの直接検出実験を行うことは依然として非常に価値があります。 最も一般的なシナリオを超えてダークマターを生成する他の方法があります。 さらに、これらの制約は、ダークマターの非弱者のソースを必要としません。 他の多くの興味深いシナリオは、弱虫の奇跡を必要としません。
何十年もの間、”W”は弱い相互作用のためではなく、弱い力によって許されるよりも強くない相互作用のために立つことが認識されてきました。 新しい、標準モデルを超えた粒子があれば、新しい力と相互作用も許可されます。 キセノンやルクスのような実験は、それらを調べるための唯一の方法です。
さらに、axionやsterile neutrinoのようなより低い質量範囲で異なるメカニズムによって、またはWIMPzillasのようなより高い質量での重力相互作用だけによって生成される暗黒物質の候補は、非常に重要である。
非弱虫ダークマター候補のための仮想的な相互作用を利用するために探している：アクシオン。 それらが暗黒物質であれば、axionは電磁相互作用を介して光子に変換される可能性があり、ここに示されている空洞はその可能性をテストするように設計されています。 しかし、ダークマターが現在の実験でテストされている特定の特性を持っていない場合、私たちが構築した検出器のどれもそれを直接見つけることは Axion Dark Matter Experiment(ADMX)/LLNL’s flickr
研究室でのダークマターの狩りは、直接検出の努力を通じて、標準モデルを超えて存在する物理学に重要な制約を課し続けています。 奇跡に結婚した人々のために、しかし、どのような肯定的な結果も、今ますますありそうにないように見えます。 その検索は今、街灯柱の下に彼の失われた鍵を探して酔っを連想させます。 彼は彼らがそこにいないことを知っていますが、それは彼が見えることを可能にする光が輝く唯一の場所です。
弱虫の奇跡は、電弱スケールで弱い力を介して相互作用する粒子がコライダーと直接検出の両方によって嫌われているため、死んで消えている可能性が 弱虫ダークマターのアイデアは、しかし、上に住んでいます。 私たちは覚えておく必要があります、あなたが弱虫を聞くとき、私たちは弱い相互作用でさえ許すよりも弱くて弱虫な暗黒物質を含んでいます。 宇宙には間違いなく何か新しいものがあり、発見されるのを待っています。
弱虫の奇跡は終わった。 しかし、我々はまだすべての最高の奇跡を得るかもしれません：これらの実験がヌル結果を超えて何かを上げるならば。 知る唯一の方法は見ることです。
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