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원자핵으로 반동 할 수있는 겁쟁이를 찾으십시오. 그러나 암흑 물질의 100%를 구성하는 전기 약 규모 또는 그 근처에서 약한 힘 구동 입자를 갖는 가장 동기 부여 된 시나리오는 이미 배제되어 있습니다. 암흑물질은 우주에서 가장 풍부한 형태의 물질일 뿐만 아니라 가장 신비한 물질이기도 하다. 우리가 알고있는 다른 모든 입자(원자,중성미자,광자,반물질 및 표준 모델의 다른 모든 입자)는 알려진 양자 힘 중 적어도 하나를 통해 상호 작용하지만 암흑 물질은 중력만으로 상호 작용하는 것처럼 보입니다.
많은 사람들에 따르면,암흑 물질보다는 보이지 않는 물질이라고 부르는 것이 더 나을 것이다. 그것은 빛을 방출하거나 흡수하지 않을뿐만 아니라 전자기,강하거나 약한 핵력을 통해 알려진 직접 감지 가능한 입자와 상호 작용하지 않습니다. 암흑 물질 후보 후 가장 모색 겁쟁이입니다: 약하게 상호 작용하는 거대한 입자. 큰 희망은 겁쟁이 기적,초대칭의 큰 예측이었다.
2019 년이고 그 희망은 이제 파선입니다. 직접 탐지 실험은 철저하게 우리가 기대했던 겁쟁이를 배제했다.
충돌하는 입자의 내부 구조를 조사한다. 그 중 하나가 기본이 아니라 오히려 복합 입자 인 경우,이 실험은 내부 구조를 나타낼 수 있습니다. 여기서 실험은 암흑 물질/핵자 산란 신호를 측정하도록 설계되었습니다. 그러나 비슷한 결과를 줄 수있는 많은 평범한 배경 기여가 있습니다. 이 특정한 신호는 게르마늄,액체 크세논 및 액체 아르곤 발견자에서 나타날 것입니다. 천체물리학적 관점에서 볼 때 우주는 우리가 알고 있는 정상적인 물질 이상으로 이루어져야만 한다. 이 경우 정상적인 물질은 표준 모델에서 알려진 입자 중 어느 것으로 자격이 있습니다. 쿼크,렙톤 또는 알려진 보손으로 만든 모든 것을 포함하며 중성자 별,블랙홀 및 반물질과 같은 이국적인 물체를 포함합니다. 우주의 모든 정상적인 물질은 다양한 방법을 통해 정량화되었으며,우리가 우주 규모에서 보는 중력 상호 작용을 설명하기 위해 전체적으로 존재해야하는 것의 약 6 분의 1 에 불과합니다.
물론 큰 문제는 암흑 물질에 대한 우리의 모든 증거가 간접적이라는 것입니다. 우리는 우주의 천체 물리학 실험실에서 그 효과를 관찰 할 수 있지만 지구상의 실험실에서 직접 감지 한 적이 없습니다. 그건 아니다,마음 당신,노력의 부족에 대한.
큰 물 방패 안쪽에 설치되는 발견자. 암흑 물질과 정상 물질 사이에 0 이 아닌 단면이 있다면,이와 같은 실험은 암흑 물질을 직접 탐지 할 수있는 기회를 가질 수있을뿐만 아니라 암흑 물질이 결국 인체와 상호 작용할 가능성이 있습니다. 암흑물질을 직접 탐지하고 싶다면 표준 모델의 알려진 입자를 탐지하는 것만 큼 간단하지 않습니다. 쿼크,렙톤 또는 알려진 보손으로 만들어진 모든 것에 대해 우리는 그들이 어떤 힘을 통해 어떤 크기와 상호 작용 하는지를 정량화 할 수 있습니다. 우리는 물리학에 대해,특히 알려진 입자들 사이의 알려진 힘과 상호작용에 대해 우리가 알고 있는 것을 이용하여 횡단면,붕괴율 및 생성물,산란 진폭,그리고 실험적인 입자 물리학에서 측정할 수 있는 다른 특성들과 같은 양을 예측할 수 있습니다.
2019 년 현재,우리는 이론가와 실험가 모두 반세기 전에 꿈꿔 왔던 방식으로 표준 모델을 확인한 전선에서 엄청난 성공을 거두었습니다. 충돌기 및 격리 된 지하 시설의 탐지기가 앞으로 나아갔습니다.
모델은 이제 모두 직접 감지되었으며,마지막 홀드 아웃 인 힉스 보손은 이번 10 년 초 엘 힉스 보손에서 떨어졌습니다. 이 모든 입자는 엘엑씨 에너지에서 생성 될 수 있으며,입자의 질량은 그것들을 완전히 설명하는 데 절대적으로 필요한 기본 상수로 이어집니다. 이 입자들은 표준 모델의 기초가되는 양자 장 이론의 물리학에 의해 잘 설명 될 수 있지만 암흑 물질과 같은 모든 것을 설명하지는 않습니다. E. 시겔/은하계 너머
표준 모델에 의해 예측 된 전체 입자 스펙트럼(기본 및 복합)이 있습니다. 강한 핵,전자기 및 약한 핵력을 통한 상호 작용은 양자 장 이론에서 개발 된 기술을 통해 계산할 수 있으므로 다양한 방법으로 입자를 생성하고 감지 할 수 있습니다.
모든 쿼크와 앤틱 쿼크는 이제 가속기에서 직접 생산되었으며,1995 년에 마지막 홀드 아웃 인 상위 쿼크가 떨어졌습니다.
모든 렙톤과 안티렙톤은 탐지기에 의해 발견되었으며,타우 중성미자(및 반물질 대응 물인 타우 안티뉴트리노)는 2000 년대 초반부터 중반에 렙톤 섹터를 완성했다.
모든 표준 모델 보손도 생성되고 검출되었다.
보손은 몇 년 전에 아틀라스와 아틀라스 협력에 의해 발표되었다. 그러나 힉스 보손은 데이터에서 하나의’스파이크’를 만드는 것이 아니라 질량의 고유 한 불확실성으로 인해 확산 된 범프를 만듭니다. 125 제 2 의 질량의 값은 물리학자들에게는 수수께끼이지만,암흑 물질 퍼즐만큼 이해할 수는 없다. 힉스 보손의 디포톤 붕괴 관찰과 그 특성 측정”, (2014)
우리는 표준 모델 입자가 어떻게 행동하는지 이해합니다. 우리는 그들이 모든 근본적인 힘을 통해 어떻게 상호 작용해야하는지에 대한 확실한 예측과 그 이론에 대한 실험적 확인을 가지고 있습니다. 우리는 또한 그들이 어떻게 표준 모델 이상으로 상호 작용하도록 허용되는지에 대한 특별한 제약을 가지고 있습니다. 가속기,우주 광선,붕괴 실험,원자로 등의 제약 때문에 우리는 이론화 된 많은 가능한 아이디어를 배제 할 수있었습니다.
그러나 암흑 물질을 구성 할 수있는 것에 관해서는 우리가 가진 모든 것은 천체 물리학 적 관측과 우리를 인도하는 이론적 연구뿐입니다. 우리가 생각해 낸 가능한 이론에는 엄청난 수의 암흑 물질 후보가 포함되지만 실험적 지원을 얻은 이론은 없습니다.
암흑 물질에 커플 여부. 중력은 하나의 확실성이다;다른 모든 것들은 상호 작용의 차원에 관해서는 그렇지 않거나 매우 제한적이다. 경계 연구소
가장 수요가 많은 암흑 물질 후보는 겁쟁이:약하게 상호 작용하는 거대한 입자입니다. 초기에—즉.,1970 년대에—표준 모델을 넘어서는 새로운 입자를 예측 한 일부 입자 물리학 이론은 새로운 유형의 패리티(대칭 유형)가 있다면 결국 새로운 유형의 안정되고 중성 입자를 생성 할 수 있다는 것을 깨달았습니다.
여기에는 초대칭,추가 차원 또는 작은 힉스 시나리오와 같은 아이디어가 포함됩니다. 이 모든 시나리오에는 공통점이 있습니다:
- 우주가 초창기에 뜨겁고 밀도가 높았을 때,창조될 수 있는 모든 입자들(그리고 반입자들)은 아주 풍부하게 창조되었다.
- 우주가 식었을 때,그 입자들은 점점 더 가볍고 안정된 입자로 붕괴되었다.
- 그리고 가장 가벼운 것이 안정적이고(새로운 패리티 대칭 때문에)전기적으로 중립적이라면,그것은 현재까지 지속될 것입니다.
새로운 입자의 질량과 단면이 무엇인지 평가하면 오늘날 추정 된 풍부도에 대한 예측 밀도를 얻을 수 있습니다.
암흑 물질의 풍부함(와이-축),당신은 암흑 물질이 정상 물질(왼쪽)과 올바른 상호 작용 횡단면 및 올바른 자기 소멸 특성(오른쪽)을 가져야합니다. 직접 탐지 실험은 이제 약한 힘과 상호 작용하는 겁쟁이 암흑 물질을 좋아하지 않는 플랑크(녹색)에 의해 필요한 이러한 값을 배제합니다. 추신:부팔 데브,아누팜 마줌다르,&살레 쿠툽,Front.in 물리학입니다 2 (2014) 26
이것이 겁쟁이 암흑 물질의 아이디어가 나온 곳입니다. 이 새로운 입자는 강하거나 전자기 상호 작용을 통해 상호 작용할 수 없었습니다; 이러한 상호 작용은 횡단면이 너무 높고 이미 나타 났을 것입니다. 그러나 약한 핵 상호 작용은 가능성이다. 원래 겁쟁이의”승”은 겁쟁이의 기적으로 알려진 장엄한 우연의 일치(초대칭으로 나타남)때문에 약한 상호 작용을 옹호했습니다.
오늘날 우주가 필요로하는 암흑 물질 밀도를 넣으면,그것을 만들기 위해 주어진 질량에 대해 얼마나 많은 암흑 물질 입자가 필요한지 추론 할 수 있습니다. 초대칭에 대한 관심의 질량 규모-또는 전기 약한 규모로 나타나는 모든 이론-은 100 게브 1 테브의 야구장에 있으므로 우리는 암흑 물질의 적절한 풍부함을 얻기 위해 자기 소멸 단면이 무엇인지 계산할 수 있습니다.
그 값(단면의 속도를 곱한 값)은 약 3 으로 밝혀졌습니다.
고 에너지 및 저온/응축 조건을 포함하여 강하고 약한 전자기력에 걸친 모든 기본 상호 작용. 약한 상호 작용에 커플 새로운 입자가 있다면,그들은 알려진 표준 모델 입자와 어떤 수준에서 상호 작용,따라서 양성자와 중성자와 단면을 가질 것이다. 2015 년 11 월 1 일 핵.물리학입니다 875(2013) 738-756
물론,만약 어떤 새로운 입자들이 약전력을 통해 상호 작용한다면,그들은 표준 모델 입자들과도 결합 할 것입니다. 만약 새로운 입자가 예를 들어,승 또는 지 보손(약한 힘을 지니고 있음)과 결합한다면,이 입자들이 승 또는 지 보손 커플이 양성자 또는 중성자 내의 쿼크처럼 어떤 입자와 충돌 할 유한하고 0 이 아닌 가능성이 있습니다.
이것은 우리가 알려진 정상적인 물질 입자의 핵 반동을 찾는 암흑 물질 실험을 구성 할 수 있음을 의미합니다. 정상적인 물질로 인한 것 이상의 반동은 암흑 물질의 존재에 대한 증거가 될 것입니다. 물론,배경 이벤트가 있습니다:중성자,중성미자,주변 물질의 방사능 붕괴 핵 등 그러나 당신이 찾고있는 신호의 에너지와 운동량 조합을 알고 실험을 영리하게 설계한다면,당신은 당신의 배경을 정량화하고 거기에있을 수있는 잠재적 인 암흑 물질 신호를 추출 할 수 있습니다.
럭스 협력은 암흑 물질의 100%인 약한 힘을 통해 상호 작용하는 겁쟁이를위한 2000 시대의 매개 변수 공간의 마지막을 효과적으로 배제했다. 주의,백그라운드에서 가볍게 음영 지역에서,이론가들은 새로운 만드는 방법,낮은 단면과 낮은 단면에서’수정’예측. 이것을 하는 좋은 육체적인 동기부여. 럭스 협업,물리학. 레트 목사. 118, 251302 (2017)
이 실험은 수십 년 동안 진행되어 왔으며 암흑 물질을 보지 못했습니다. 가장 엄격한 현대 제약은 럭스(위)와 크세논 1 톤(아래)에서 비롯됩니다. 그 결과는 양성자와 중성자에 대한 상호 작용 단면이 매우 작고 스핀 의존 및 스핀 독립 시나리오 모두에서 다르다는 것을 알려줍니다.
럭스는 우리를 1.0-1.6 이하의 스핀 의존적 단면 한계로 내려갔습니다.: 2001 년에 제안 된 수시 암흑 물질의 모든 모델을 배제 할만큼 충분히 낮습니다. 더 민감한 제약은 이제 크세논에서 온다:스핀 종속 중성자 제약은 6,000,000,000 10-42 센티미터입니다,스핀 독립적 인 단면은 아래에있는 동안 4.1 10-47 센티미터 2,더 나사를 조여.
이제 럭스를 포함한 모든 이전 실험에 비해 개선된 제논원티 실험에서 가장 엄격한 제한을 받습니다. 이론가와 현상 학자들은 의심의 여지없이 더 작고 작은 단면을 가진 새로운 예측을 계속 만들어 낼 것이지만,겁쟁이 기적에 대한 아이디어는 우리가 이미 가지고있는 실험 결과에 대한 모든 합리적인 동기를 잃어 버렸습니다. 4 월 외.,물리. 레트 목사. 121, 111302 (2018)
이것은 암흑 물질 입자가 자기 소멸시키는 것과는 다른 측정이지만,그 측정은 우리에게 매우 가치있는 것을 말해줍니다. 약한 상호 작용을 통해 올바른 암흑 물질 풍부도를 제공하는 초대칭 또는 추가 차원의 모델은 이러한 실험에 의해 배제됩니다. 겁쟁이 암흑 물질이 있다면,그것은 약한 상호 작용이 암흑 물질의 100%를 구성 할 수있는 것보다 약해야합니다. 또한,이 물질은 그것을 감지 할 수 없게 만들어서는 안됩니다.
이론가들은 항상 자신의 모델을 조정할 수 있으며,너무 많은 시간을 수행하여 예상 단면을 널 결과가 롤인 된 후 널 결과로 아래로 밀어 넣습니다. 그러나 그것은 당신이 할 수있는 최악의 과학입니다: 단순히 실험 제약 이외의 물리적 이유없이 골 포스트를 이동하는 것은 더 심각한되고있다. 데이터가 배제되는 결론을 선호하는 것 외에는 더 이상 동기가 없습니다.
물리학자들이 추가 차원에서부터 암흑 물질,초대칭 입자,마이크로 블랙홀에 이르기까지 엘에이치엔씨에서 찾고 있었던 시그니처. 우리가 이러한 고 에너지 충돌로부터 수집 한 모든 데이터에도 불구하고 이러한 시나리오 중 어느 것도 그 존재를 뒷받침하는 증거를 보여주지 못했습니다. 그러나 이러한 직접 탐지 실험을 수행하는 것은 여전히 매우 중요합니다. 가장 일반적인 시나리오를 뛰어 넘는 암흑 물질을 생산하는 다른 방법이 있습니다. 또한,이러한 제약은 암흑 물질의 겁쟁이가 아닌 소스를 필요로하지 않습니다. 다른 많은 흥미로운 시나리오는 겁쟁이 기적이 필요하지 않습니다.
수십 년 동안,”승”은 약한 상호작용을 지지하는 것이 아니라 약한 힘에 의해 허용되는 것보다 더 강하지 않은 상호작용을 지지하는 것으로 인식되어 왔다. 만약 우리가 새로운,표준 모형을 넘어선 입자들을 가지고 있다면,우리는 새로운 힘과 상호작용을 가질 수 있습니다. 크세논과 럭스 같은 실험은 사람들을 조사 할 수있는 유일한 방법입니다.
또한,액시온이나 무균 중성미자와 같은 더 낮은 질량 범위에서 다른 메커니즘에 의해 생성되거나,윔질라와 같은 더 높은 질량에서 중력 상호 작용만으로 생성되는 암흑 물질 후보가 매우 많이 작용합니다.
비 겁쟁이 암흑 물질 후보에 대한 가상의 상호 작용을 이용하려고합니다. 액시온이 암흑 물질이라면 전자기 상호 작용을 통해 광자로 변환 될 수 있으며 여기에 표시된 공동은 그 가능성을 테스트하도록 설계되었습니다. 그러나 암흑물질이 현재 실험 중인 특정 특성을 가지고 있지 않다면,우리가 만든 검출기 중 어느 것도 이를 직접 발견하지 못할 것이다. 실험실에서의 암흑물질에 대한 우리의 사냥은 직접적인 탐지 노력을 통해,표준 모델을 넘어 어떤 물리학이 존재할 수 있는지에 대한 중요한 제약을 계속 두고 있다. 기적에 결혼 한 사람들을 위해,하지만,어떤 긍정적 인 결과는 이제 점점 가능성이 나타납니다. 그 검색은 이제 가로등 기둥 아래에 자신의 잃어버린 키를 찾고 술에 취해 연상이다. 그는 그들이 거기에 없다는 것을 알고 있지만,빛이 그를 볼 수있게 해주는 유일한 장소입니다.
겁쟁이 기적은 죽거나 사라질 수 있는데,전기 약한 스케일에서 약한 힘을 통해 상호 작용하는 입자들이 충돌기와 직접 탐지 모두에 의해 선호되지 않았기 때문이다. 겁쟁이 암흑 물질의 아이디어는,그러나,에 살고있다. 겁쟁이의 소리를 들을 때,우리는 약한 상호작용이 허용하는 것보다 더 약하고 더 약한 암흑 물질을 포함한다는 것을 기억해야 합니다. 의심할 여지 없이 우주에는 새로운 무언가가 발견되기를 기다리고 있다.
겁쟁이 기적이 끝났습니다. 그러나 우리는 여전히 모두의 최고의 기적을 얻을 수 있습니다:이 실험은 널 결과를 넘어 뭔가를 설정하는 경우. 알 수있는 유일한 방법은 보는 것입니다.
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