‘WIMP Mirakel’ Håp For Mørk Materie Er Død

se Etter WIMPs som kan rekylere med atomkjerner. LZ-Samarbeidet vil gi de beste grensene for WIMP-nukleon-tverrsnitt av alle, men de beste motiverte scenariene for å ha en svak kraftdrevet partikkel i eller nær electroweak-skalaen utgjør 100% av det mørke stoffet er allerede utelukket. LUX-ZEPLIN (LZ) Samarbeid / SLAC National Accelerator Laboratory

Mørk materie Er Ikke Bare Den mest tallrike form for materie I Universet, det er også den mest mystiske. Mens alle de andre partiklene vi kjenner til — atomer, nøytriner, fotoner, antimaterie og Alle De Andre partiklene I Standardmodellen-samhandler gjennom minst en av de kjente kvantekreftene, ser mørk materie ut til å samhandle gjennom tyngdekraften alene.

ifølge mange ville det være bedre å ha kalt det usynlig materie, i stedet for mørk materie. Det avgir ikke bare eller absorberer lys, men det interagerer ikke med noen av de kjente, direkte påvisbare partiklene gjennom de elektromagnetiske, sterke eller svake atomkreftene. Den mest ettertraktede mørk materie kandidat ER WIMP: Den Svakt Interagerende Massive Partikkelen. Det store håpet var FOR ET WIMP-mirakel, en flott prediksjon av supersymmetri.

Det er 2019, og det håpet er nå knust. Direkte deteksjonseksperimenter har grundig utelukket WIMPs vi håpet på.

sonde den indre strukturen av partiklene som kolliderer. Hvis en av dem ikke er grunnleggende, men snarere er en sammensatt partikkel, kan disse forsøkene avsløre sin indre struktur. Her er et eksperiment designet for å måle det mørke stoffet/nukleon-spredningssignalet. Det er imidlertid mange verdslige bakgrunnsbidrag som kan gi et lignende resultat. Dette spesielle signalet vil dukke opp I Germanium, flytende XENON og flytende ARGON detektorer. Mørk Materie Oversikt: Collider, Direct And Indirect Detection Searches-Queiroz, Farinaldo s. arXiv:1605.08788

Universet, fra et astrofysisk perspektiv, må være laget av mer enn bare den vanlige saken vi kjenner til. Normal materie, i dette tilfellet, kvalifiserer som noen av de kjente partiklene I Standardmodellen. Det inkluderer alt laget av kvarker, leptoner eller kjente bosoner, og inkluderer eksotiske objekter som nøytronstjerner, svarte hull og antimaterie. All normal materie I Universet har blitt kvantifisert gjennom en rekke metoder, og det utgjør bare opp til omtrent en sjettedel av det som må være tilstede for å forklare gravitasjonsinteraksjonene vi ser på kosmiske skalaer.

det store problemet er selvfølgelig at alle våre bevis for mørk materie er indirekte. Vi kan observere dens effekter i det astrofysiske laboratoriet i rommet, men vi har aldri oppdaget det direkte, i et laboratorium her på Jorden. Det er ikke, husk deg, for mangel på å prøve.

detektor montert inne i det store vannskjoldet. Hvis det er noe tverrsnitt uten null mellom mørk materie og normal materie, vil ikke bare et eksperiment som dette ha en sjanse til å oppdage mørk materie direkte, men det er en sjanse for at mørk materie til slutt vil samhandle med menneskekroppen din. INFN

HVIS du vil oppdage mørk materie direkte, er det ikke så enkelt som å oppdage De kjente partiklene I Standardmodellen. For alt som er laget av kvarker, leptoner eller de kjente bosonene, kan vi kvantifisere hvilke krefter de samhandler gjennom og med hvilken størrelse. Vi kan bruke det vi vet om fysikk, og spesielt om de kjente kreftene og samspillet mellom de kjente partiklene, for å forutsi mengder som tverrsnitt, forfallshastigheter og produkter, spredningsamplituder og andre egenskaper vi er i stand til å måle i eksperimentell partikkelfysikk.

Fra og med 2019 har vi møtt enorm suksess på de fronter som har bekreftet Standardmodellen på måter som både teoretikere og eksperimenter bare kunne ha drømt om et halvt århundre siden. Detektorer på colliders og isolerte, underjordiske anlegg har ført veien fremover.

Modellen har nå blitt oppdaget direkte, med Den siste holdout, Higgs boson, som faller på LHC tidligere i tiåret. Alle disse partiklene kan opprettes VED LHC-energier, og massene av partiklene fører til grunnleggende konstanter som er absolutt nødvendige for å beskrive dem fullt ut. Disse partiklene kan beskrives godt av fysikken til kvantfeltteoriene som ligger til Grunn For Standardmodellen, men de beskriver ikke alt, som mørkt materiale. E. Siegel / Beyond The Galaxy

det er et helt spekter av partikler — både grunnleggende og sammensatte — spådd Av Standardmodellen. Deres interaksjoner gjennom de sterke kjernefysiske, elektromagnetiske og svake atomkreftene kan beregnes gjennom teknikker utviklet i kvantfeltteori, slik at vi kan skape og oppdage disse partiklene på en rekke måter.

Hver enkelt kvark og antikvark er nå direkte produsert i en akselerator, med toppkvarken, den siste holdout, som faller i 1995.

Hver lepton og antilepton har blitt sett av detektorer, med tau neutrino (og dens antimaterie-motpart, tau antineutrino) som fullfører lepton-sektoren tidlig til midten av 2000-tallet.

og Alle Standardmodellbosonene har blitt opprettet og oppdaget også, Med Higgs boson, Den siste brikken i puslespillet, som definitivt vises på LHC i 2012.

boson ble annonsert for noen år siden av BÅDE CMS og ATLAS samarbeid. Men Higgs boson gjør ikke en eneste spike i dataene, men heller en spredt bump, på grunn av sin iboende usikkerhet i masse. Verdien av massen ved 125 GeV / c^2 er forvirrende for fysikere, men ikke så forvirrende som dark matter-puslespillet. CMS Samarbeid, «Observasjon av diphoton forfall Av Higgs boson og måling av dens egenskaper», (2014)

Vi forstår hvordan standardmodellpartiklene oppfører seg. Vi har solide spådommer for hvordan de skal samhandle gjennom alle de grunnleggende kreftene, og eksperimentell bekreftelse av disse teoriene. Vi har også ekstraordinære begrensninger på hvordan de får lov til å samhandle på en utover Standardmodellen. På grunn av våre begrensninger fra akseleratorer, kosmiske stråler, forfallseksperimenter, atomreaktorer og mer, har vi vært i stand til å utelukke mange mulige ideer som har blitt teoretisert.

når det gjelder hva som kan utgjøre den mørke saken, er alt vi har de astrofysiske observasjonene og vårt teoretiske arbeid, i tandem, for å veilede oss. De mulige teoriene vi har kommet opp med, inkluderer et stort antall mørke materiekandidater, men ingen som har fått noen eksperimentell støtte.

par til mørk materie eller ikke. Gravity er en visshet; alle de andre er enten ikke eller er svært begrenset med hensyn til nivået av interaksjon. Perimeter Institute

DEN mest ettertraktede mørke materiekandidaten er WIMP: Den Svake Interagerende Massive Partikkelen. I de tidlige dager-dvs. tilbake på 1970 — tallet ble det innsett at noen partikkelfysikkteorier som forutslo nye partikler utover Standardmodellen, til slutt kunne produsere nye typer stabile, nøytrale partikler hvis det var noen ny type paritet (en type symmetri) som forhindret dem i å forfalle.

dette inkluderer nå ideer som supersymmetri, ekstra dimensjoner eller det lille Higgs-scenariet. Alle disse scenariene har samme historie til felles:

• da Universet var varmt og tett tidlig, ble alle partiklene (og antipartiklene) som kunne opprettes, skapt i stor overflod, inkludert eventuelle ekstra, utover Standardmodellen.
• Når Universet ble avkjølt, forfalt disse partiklene til gradvis lettere og mer stabile.
• og hvis den letteste var stabil (på grunn av den nye paritetssymmetrien) og elektrisk nøytral, ville den fortsette til i dag.

hvis du vurderer hva massen og tverrsnittet av de nye partiklene er, kan du få en spådd tetthet for deres estimerte overflod i dag.

overflod av mørk materie (y-akse), du trenger for mørk materie å ha de riktige interaksjonstverrsnittene med normal materie (venstre) og høyre selvutslettelsesegenskaper (høyre). Direkte deteksjonseksperimenter utelukker nå disse verdiene, nødvendiggjort Av Planck (grønn), disfavoring svak kraft-interagerende WIMP mørk materie. PS Bhupal Dev, Anupam Mazumdar, & Saleh Qutub, Front.in Phys. 2 (2014) 26

DET er her IDEEN OM WIMP dark matter kom fra. Disse nye partiklene kunne ikke ha interagert gjennom sterk eller elektromagnetisk interaksjon; disse interaksjonene har for høyt av et tverrsnitt og ville allerede ha vist seg. Men den svake kjernefysiske samspillet er en mulighet. OPPRINNELIG sto» W » i WIMP for den svake samspillet, på grunn av en spektakulær tilfeldighet (som vises i supersymmetri) kjent som WIMP miracle.

hvis Du legger inn den mørke materiens tetthet Som Universet krever i dag, kan Du utlede hvor mange mørke materiepartikler du trenger av en gitt masse for å gjøre det opp. Masseskalaen av interesse for supersymmetri — eller noen teori som vises på electroweak-skalaen-er i ballparken 100 GeV til 1 TeV, slik at vi kan beregne hva selvutslettelsestverrsnittet må være for å få riktig overflod av mørkt materiale.

denne verdien (av tverrsnitt multiplisert med hastighet) viser seg å være rundt 3 × 10-26 cm3 / s, som er i tråd med hva du forventer hvis slike partikler interagerer gjennom den elektrosvake kraften.

hver grunnleggende interaksjon som spenner over sterke, svake og elektromagnetiske krefter, inkludert i høy energi og lav temperatur / kondenserte forhold. Hvis det er en ny partikkel som parrer den svake samspillet, vil de samhandle på et visst nivå med De kjente Standardmodellpartiklene, og derfor ha et tverrsnitt med proton og nøytron. de Carvalho, Vanuildo S. et al. Nucl.Phys. B875 (2013) 738-756

Selvfølgelig, hvis noen nye partikler samhandler gjennom electroweak-kraften, vil De også koble Til Standardmodellpartiklene. Hvis en ny partikkel parrer Til For Eksempel W-eller Z-bosonet (som bærer den svake kraften), så er det en endelig, ikke-null sannsynlighet for at disse partiklene vil kollidere med enhver partikkel som Et W-eller Z-boson parrer til, som en kvark i et proton eller nøytron.

Dette betyr at vi kan konstruere eksperimenter med mørk materie på jakt etter en kjernefysisk rekyl av kjente, normale materiepartikler. Rekyler utover de som er forårsaket av normal materie, ville være bevis for eksistensen av mørk materie. Jo, det er bakgrunnshendelser: nøytroner, nøytriner, radioaktivt nedbrytende kjerner i omgivelsene, etc. Men hvis du kjenner energi-og momentumkombinasjonene til signalet du leter etter, og du utformer eksperimentet ditt smart, kan du kvantifisere bakgrunnen din og trekke ut eventuelle mørke materiesignaler som kan være der.

LUX-samarbeidet, som effektivt utelukket den siste av 2000-era-parameterplassen for WIMPs som interagerer gjennom den svake kraften, er 100% av det mørke stoffet. Merk, i de lett skyggefulle områdene i bakgrunnen, hvordan teoretikere lager nye, reviderte spådommer ved nedre og nedre tverrsnitt. Det er ingen god fysisk motivasjon for å gjøre dette. LUX Samarbeid, Phys. Pastor Lett. 118, 251302 (2017)

disse forsøkene har nå pågått i flere tiår, og har ikke sett noe mørkt materiale. De strengeste moderne begrensningene kommer FRA LUX (over) og XENON 1T (under). Disse resultatene informerer oss om at interaksjonstverrsnittet for protoner og nøytroner er ekstraordinært lite, og er forskjellig for både spin-avhengige og spin-uavhengige scenarier.

LUX fikk OSS ned til spin-avhengige tverrsnittsgrenser under 1.0-1.6 × 10-41 cm2 for protoner og nøytroner og spin-uavhengige under 1.0 × 10-46 cm2: lav nok til å utelukke alle MODELLENE AV SUSY dark matter foreslått av 2001. EN mer følsom begrensning kommer nå FRA XENON: den spinavhengige nøytronbegrensningen er 6 × 10-42 cm2, mens de spinuavhengige tverrsnittene er under 4.1 × 10-47 cm2, ytterligere å stramme skruene.

får nå sine strengeste grenser fra XENON1T-eksperimentet, som har forbedret seg over alle tidligere eksperimenter, inkludert LUX. Mens teoretikere og fenomenologer uten tvil vil fortsette å produsere nye spådommer med mindre og mindre tverrsnitt, har ideen om ET WIMP-mirakel mistet all rimelig motivasjon med de eksperimentelle resultatene vi allerede har i hånden. E. Aprile et al., Phys. Pastor Lett. 121, 111302 (2018)

Dette er en annen måling enn å ha mørke materiepartikler selvutslette, men den målingen forteller oss noe utrolig verdifullt. Modellene av supersymmetri eller ekstra dimensjoner som gir den rette mørke materien overflod gjennom de svake interaksjonene, utelukkes av disse forsøkene. HVIS DET er WIMP mørk materie, må den være svakere enn den svake samspillet tillater å utgjøre 100% av den mørke saken. I tillegg BØR LHC ikke oppdage det.

Teoretikere kan alltid justere sine modeller, og har gjort så mange ganger, og skyver det forventede tverrsnittet ned og ned som nullresultat etter at nullresultatet ruller inn. Det er den verste typen vitenskap du kan gjøre, derimot: bare å skifte målpostene uten annen fysisk grunn enn dine eksperimentelle begrensninger, har blitt mer alvorlige. Det er ikke lenger noen motivasjon, annet enn å foretrekke en konklusjon at dataene regner ut, ved å gjøre det.

signaturer som fysikere har søkt på LHC, fra ekstra dimensjoner til mørkt materiale til supersymmetriske partikler til mikro-svarte hull. Til tross for alle dataene vi har samlet fra disse høyenergikollisjonene, har ingen av disse scenariene vist bevis som støtter deres eksistens. CERN / ATLAS experiment

men å utføre disse direkte deteksjonseksperimentene er fortsatt utrolig verdifullt. Det finnes andre måter å produsere mørk materie som går utover det mest konvensjonelle scenariet. Videre krever disse begrensningene ikke en ikke-WIMPy kilde til mørkt materiale. Mange andre interessante scenarier trenger ikke ET WIMP-mirakel.

I mange tiår har «W» blitt anerkjent for ikke å stå for det svake samspillet, men å stå for et samspill som ikke er sterkere enn det som er tillatt av den svake kraften. Hvis vi har nye, utover Standardmodellpartikler, har vi lov til å ha nye krefter og samspill også. Eksperimenter som XENON og LUX er vår eneste måte å undersøke dem på.

i Tillegg er mørk materie kandidater som er produsert av en annen mekanisme ved lavere masseområder, som aksioner eller sterile nøytriner, eller gjennom gravitasjonsinteraksjonen alene ved høyere masser, som Wimpzillaer, veldig mye i spill.

ønsker å utnytte en hypotetisk interaksjon for en ikke-WIMP mørk materie kandidat: axion. Axioner, hvis de er det mørke stoffet, kan konvertere til fotoner gjennom den elektromagnetiske interaksjonen, og hulrommet som vises her er designet for å teste for den muligheten. Men hvis mørk materie ikke har de spesifikke egenskapene som nåværende eksperimenter tester for, vil ingen av detektorene vi har bygget noensinne finne den direkte. Axion Dark Matter Experiment (ADMX) / LLNLS flickr

vår jakt på mørk materie i laboratoriet, gjennom direkte deteksjonsarbeid, fortsetter å legge viktige begrensninger på hva fysikk kan være tilstede utover Standardmodellen. For de som er knyttet til mirakler, ser det imidlertid ut til at noen positive resultater nå blir stadig mer usannsynlige. Det søket minner nå om den berusede på jakt etter sine tapte nøkler under lyktestolpen. Han vet at de ikke er der, men det er det eneste stedet hvor lyset som gjør ham i stand til å se skinner.

WIMP-miraklet kan være dødt og borte, da partikler som interagerer gjennom den svake kraften i electroweak-skalaen, har blitt disfavored av både kollidere og direkte deteksjon. IDEEN OM WIMP mørk materie lever imidlertid videre. Vi må bare huske, når du hører WIMP, inkluderer vi mørk materie som er svakere og wimpier enn selv de svake samspillet vil tillate. Det er utvilsomt noe nytt der ute i Universet som venter på å bli oppdaget.

WIMP-miraklet er over. Men vi kan fortsatt få det beste miraklet av alle: hvis disse forsøkene viser noe utover et nullresultat. Den eneste måten å vite er å se.

Følg Meg På Twitter. Sjekk ut min hjemmeside eller noen av mine andre arbeid her.