dit artikel is meer dan 2 jaar oud.
zoek naar WIMPs die met atoomkernen kunnen terugslaan. De LZ-samenwerking zal de beste grenzen bieden aan WIMP-nucleon dwarsdoorsneden van alle, maar de beste gemotiveerde scenario ‘ s voor het hebben van een zwak-kracht-gedreven deeltje op of in de buurt van de elektrozwakke schaal maken 100% van de donkere materie uit zijn al uitgesloten. Lux-ZEPLIN (LZ) Collaboration / SLAC National Accelerator Laboratory
donkere materie is niet alleen de meest voorkomende vorm van materie in het universum, het is ook de meest mysterieuze. Terwijl alle andere deeltjes die we kennen — atomen, neutrino ‘ s, fotonen, antimaterie en alle andere deeltjes in het standaardmodel — interageren door ten minste één van de bekende kwantumkrachten, lijkt donkere materie alleen te interageren door zwaartekracht.
volgens velen zou het beter zijn geweest om het onzichtbare materie te noemen, in plaats van donkere materie. Het zendt niet alleen geen licht uit of absorbeert het ook niet met de bekende, direct detecteerbare deeltjes door de elektromagnetische, sterke of zwakke nucleaire krachten. De meest gewilde kandidaat voor donkere materie is de watje.: het zwak interagerende massieve deeltje. De grote hoop was op een watje wonder, een grote voorspelling van supersymmetrie.
het is 2019, en die hoop is nu verpletterd. Directe detectie experimenten hebben de watjes waar we op hoopten grondig uitgesloten.
onderzoek de inwendige structuur van de botsende deeltjes. Als een van hen niet fundamenteel is, maar eerder een samengesteld deeltje is, kunnen deze experimenten zijn interne structuur onthullen. Hier is een experiment ontworpen om het donkere materie/nucleon verstrooiing signaal te meten. Er zijn echter veel alledaagse, achtergrond bijdragen die een vergelijkbaar resultaat zou kunnen geven. Dit specifieke signaal zal verschijnen in Germanium, vloeibare XENON en vloeibare ARGON detectoren. Dark Matter Overview: Collider, Direct and Indirect Detection Searches-Queiroz, Farinaldo S. arXiv: 1605.08788
vanuit astrofysisch perspectief moet het universum bestaan uit meer dan alleen de normale materie die we kennen. Normale materie, in dit geval, kwalificeert als een van de bekende deeltjes in het standaardmodel. Het omvat alles gemaakt van quarks, leptonen, of de bekende bosonen, en omvat exotische objecten zoals neutronensterren, zwarte gaten en antimaterie. Alle normale materie in het universum is gekwantificeerd door middel van verschillende methoden, en het is slechts tot ongeveer een zesde van wat er moet zijn, in het algemeen, om de gravitationele interacties die we zien op kosmische schalen te verklaren.
het grote probleem is natuurlijk dat al ons bewijs voor donkere materie indirect is. We kunnen de effecten waarnemen in het astrofysische laboratorium van de ruimte, maar we hebben het nooit direct ontdekt, in een laboratorium hier op aarde. Dat is niet, let wel, voor een gebrek aan proberen.
detector geïnstalleerd in het grote waterschild. Als er een niet-nul dwarsdoorsnede is tussen donkere materie en normale materie, zal een experiment als dit niet alleen een kans hebben om donkere materie direct te detecteren, maar er is ook een kans dat donkere materie uiteindelijk zal interageren met je menselijk lichaam. INFN
als u donkere materie direct wilt detecteren, is het niet zo eenvoudig als het detecteren van de bekende deeltjes van het standaardmodel. Voor alles gemaakt van quarks, leptonen, of de bekende bosonen, kunnen we kwantificeren door welke krachten ze interageren en met welke omvang. We kunnen gebruiken wat we weten over de fysica, en in het bijzonder over de bekende krachten en interacties tussen de bekende deeltjes, om hoeveelheden te voorspellen zoals dwarsdoorsneden, vervalsnelheden en producten, verstrooiing van amplitudes, en andere eigenschappen die we kunnen meten in experimentele deeltjesfysica.
vanaf 2019 hebben we enorme successen geboekt op die fronten die het standaardmodel hebben bevestigd op een manier waar zowel theoretici als experimentalisten nog maar een halve eeuw geleden van hadden kunnen dromen. Detectoren bij botsliders en geïsoleerde ondergrondse installaties hebben de weg vooruit gewezen.
het model is nu allemaal direct gedetecteerd, waarbij de laatste holdout, het higgsboson, eerder dit decennium op de LHC daalde. Al deze deeltjes kunnen worden gecreëerd bij LHC-energieën, en de massa ‘ s van de deeltjes leiden tot fundamentele constanten die absoluut noodzakelijk zijn om ze volledig te beschrijven. Deze deeltjes kunnen goed worden beschreven door de fysica van de kwantumveldentheorieën die ten grondslag liggen aan het standaardmodel, maar ze beschrijven niet alles, zoals donkere materie. E. Siegel / voorbij het sterrenstelsel
is er een heel spectrum van deeltjes — zowel fundamenteel als samengesteld — voorspeld door het standaardmodel. Hun interacties door de sterke nucleaire, elektromagnetische en zwakke nucleaire krachten kunnen worden berekend door middel van technieken die zijn ontwikkeld in de kwantumveldentheorie, waardoor we die deeltjes op verschillende manieren kunnen creëren en detecteren.
elke quark en antiquark is nu direct geproduceerd in een gaspedaal, waarbij de bovenste quark, de laatste holdout, in 1995 daalt.
elk lepton en antilepton is waargenomen door detectoren, waarbij het tau-neutrino (en zijn antimaterie-tegenhanger, de Tau antineutrino) de lepton-sector in de vroege tot midden jaren 2000 voltooide.
en elk van de standaardmodel-bosonen is gecreëerd en gedetecteerd, met het Higgs-boson, het laatste stukje van de puzzel, definitief verschenen op de LHC in 2012.
de eerste robuuste, 5-sigma detectie van het Higgs boson werd een paar jaar geleden aangekondigd door zowel de CMS als ATLAS samenwerkingen. Maar het higgsboson maakt geen enkele ‘piek’ in de gegevens, maar eerder een verspreide hobbel, vanwege de inherente onzekerheid in massa. De waarde van zijn massa bij 125 GeV/c^2 is verwarrend voor natuurkundigen, maar niet zo verbijsterend als de donkere materie puzzel.Boson werd een paar jaar geleden aangekondigd door de CMS en ATLAS samenwerkingen. Maar het higgsboson maakt geen enkele ‘piek’ in de gegevens, maar eerder een verspreide hobbel, vanwege de inherente onzekerheid in massa. De waarde van zijn massa bij 125 GeV/c^2 is verwarrend voor natuurkundigen, maar niet zo verbijsterend als de donkere materie puzzel. The CMS Collaboration, “Observation of the diphoton decay of the Higgs boson and measurement of its properties”, (2014)
We begrijpen hoe de standaard modeldeeltjes zich gedragen. We hebben solide voorspellingen over hoe ze moeten interageren door alle fundamentele krachten, en experimentele bevestiging van die theorieën. We hebben ook buitengewone beperkingen op hoe ze mogen communiceren op een verder-dan-de-standaard-Model manier. Door onze beperkingen van versnellers, kosmische straling, vervalexperimenten, kernreactoren en meer, zijn we in staat geweest om veel mogelijke ideeën die zijn getheoretiseerd uit te sluiten.
als het gaat om wat de donkere materie zou kunnen vormen, echter, alles wat we hebben zijn de astrofysische observaties en ons theoretische werk, in combinatie, om ons te leiden. De mogelijke theorieën die we hebben bedacht omvatten een groot aantal donkere materie kandidaten, maar geen die enige experimentele steun hebben verkregen.
paar aan donkere materie of niet. Zwaartekracht is een zekerheid; alle anderen zijn ofwel niet of zijn zeer beperkt wat betreft het niveau van interactie. Perimeterinstituut
de meest gewilde kandidaat voor donkere materie is het WIMP: het zwak interagerende massieve deeltje. In de vroege dagen-d.w.z., terug in de jaren 1970-werd gerealiseerd dat sommige deeltjesfysicatheorieën die nieuwe deeltjes voorspelden buiten het standaardmodel uiteindelijk nieuwe types van stabiele, neutrale deeltjes konden produceren als er een nieuw type van pariteit (een type van symmetrie) was dat hen verhinderde om te vervallen.
dit omvat nu ideeën zoals supersymmetrie, extra dimensies, of het kleine Higgs scenario. Al deze scenario ‘ s hebben hetzelfde verhaal gemeen:
- toen het heelal al vroeg heet en dicht was, werden alle deeltjes (en antideeltjes) die konden worden gecreëerd in grote overvloed gecreëerd, inclusief eventuele extra deeltjes, die verder gingen dan de standaardmodellen.
- toen het heelal afkoelde, vervielen die deeltjes tot steeds lichtere en stabielere deeltjes.
- en indien de lichtste stabiel (vanwege de nieuwe pariteitsymmetrie) en elektrisch neutraal zou zijn, zou deze tot op de dag van vandaag blijven bestaan.
als u evalueert wat de massa en de dwarsdoorsnede van deze nieuwe deeltjes zijn, kunt u een voorspelde dichtheid krijgen voor hun geschatte abundantie vandaag.
abundantie van donkere materie( y-as), Je hebt donkere materie nodig om de juiste interactiedoorsneden te hebben met normale materie (links) en de juiste zelf-annihilatie Eigenschappen (rechts). Directe detectieexperimenten sluiten nu deze waarden uit, die nodig zijn door Planck( groen), waardoor zwakke-kracht-interagerende WIMP donkere materie wordt benadeeld. P. S. Bhupal Dev, Anupam Mazumdar, & Saleh Qutub, Front.in Phys. 2 (2014) 26
Dit is waar het idee van WIMP donkere materie vandaan kwam. Deze nieuwe deeltjes konden geen interactie hebben gehad door de sterke of elektromagnetische interactie.; die interacties hebben een te hoge dwarsdoorsnede en zouden al zijn opgedoken. Maar de zwakke nucleaire interactie is een mogelijkheid. Oorspronkelijk stond de” W ” in WIMP voor de zwakke interactie, vanwege een spectaculair toeval (verschijnen in supersymmetrie) bekend als het WIMP wonder.
als je de dichtheid van donkere materie toevoegt die het Universum vandaag nodig heeft, kun je afleiden hoeveel donkere materie deeltjes je nodig hebt van een bepaalde massa om het samen te stellen. De massaschaal van belang voor supersymmetrie — of om het even welke theorie die op de elektrozwakke schaal verschijnt — ligt in de schaal van 100 GeV tot 1 tev, dus we kunnen ze berekenen wat de zelf-annihilatie dwarsdoorsnede moet zijn om de juiste overvloed aan donkere materie te krijgen.
die waarde (van doorsnede vermenigvuldigd met snelheid) blijkt ongeveer 3 × 10-26 cm3/s te zijn, wat precies in lijn is met wat je zou verwachten als dergelijke deeltjes door de elektrozwakke kracht in wisselwerking zouden komen.
elke fundamentele interactie tussen de sterke, zwakke en elektromagnetische krachten, ook onder hoge energetische en lage temperatuur/gecondenseerde omstandigheden. Als er een nieuw deeltje is dat gekoppeld is aan de zwakke interactie, zullen ze op een bepaald niveau interageren met de bekende standaard modeldeeltjes, en daarom een doorsnede hebben met het proton en het neutron. de Carvalho, Vanuildo S. et al. Nucl.Phys. B875 (2013) 738-756
natuurlijk, als er nieuwe deeltjes interageren door de elektrozwakke kracht, zouden ze ook koppelen aan de standaard model deeltjes. Als een nieuw deeltje koppelt aan bijvoorbeeld het W-of Z-boson (die de zwakke kracht dragen), dan is er een eindige, niet-NUL kans dat deze deeltjes zullen botsen met elk deeltje dat een W-of Z-boson koppelt aan, zoals een kwark in een proton of neutron.
dit betekent dat we experimenten met donkere materie kunnen construeren op zoek naar een nucleaire terugslag van bekende, normale materiedeeltjes. De terugslag boven die veroorzaakt door normale materie zou bewijs zijn voor het bestaan van donkere materie. Natuurlijk zijn er achtergrondgebeurtenissen: neutronen, neutrino’ s, radioactief rottende kernen in de omringende materie, enz. Maar als je de energie-en momentumcombinaties kent van het signaal dat je zoekt, en je ontwerpt je experiment slim, dan kun je je achtergrond kwantificeren en elk mogelijk signaal van donkere materie eruit halen.
de LUX-samenwerking, die effectief uitsloot dat de laatste van de 2000-era parameterruimte voor watjes die interageren via de zwakke kracht 100% van de donkere materie is. Let op, in de licht gearceerde gebieden op de achtergrond, hoe theoretici nieuwe, ‘herziene’ voorspellingen maken op lagere en lagere dwarsdoorsneden. Er is geen goede fysieke motivatie om dit te doen. LUX Collaboration, Phys. Eerwaarde Lett. 118, 251302 (2017)
deze experimenten zijn nu al tientallen jaren aan de gang en hebben geen donkere materie gezien. De strengste moderne beperkingen komen van LUX (boven) en XENON 1T (onder). Deze resultaten informeren ons dat de interactiedoorsnede voor protonen en neutronen buitengewoon klein is, en verschillend is voor zowel spin-afhankelijke als spin-onafhankelijke scenario ‘ s.
LUX heeft ons teruggebracht tot spin-afhankelijke dwarsdoorsnede limieten onder 1,0-1,6 × 10-41 cm2 voor protonen en neutronen en spin-onafhankelijke onder 1,0 × 10-46 cm2: laag genoeg om uit te sluiten alle modellen van SUSY donkere materie voorgesteld door 2001. Een meer gevoelige beperking komt nu van XENON: de spin-afhankelijke neutronenbeperking is 6 × 10-42 cm2, terwijl de spin-onafhankelijke dwarsdoorsneden onder 4,1 × 10-47 cm2 liggen, waardoor de schroeven verder worden vastgeschroefd.
haalt nu de strengste grenswaarden uit het Xenon-1T-experiment, dat is verbeterd ten opzichte van alle eerdere experimenten, inclusief LUX. Terwijl theoretici en fenomenologen zonder twijfel nieuwe voorspellingen zullen blijven produceren met steeds kleinere doorsneden, heeft het idee van een WIMP-wonder alle redelijke motivatie verloren met de experimentele resultaten die we al in de hand hebben. E. Aprile et al. Phys. Eerwaarde Lett. 121, 111302 (2018)
dit is een andere meting dan het zelf vernietigen van donkere materie deeltjes, maar die meting vertelt ons iets ongelooflijk waardevols. De modellen van supersymmetrie of extra dimensies die de juiste donkere materie abundantie geven door de zwakke interacties worden door deze experimenten uitgesloten. Als er WIMP donkere materie is, moet deze zwakker zijn dan de zwakke interactie toelaat om 100% van de donkere materie te bevatten. Bovendien mag de LHC het niet detecteerbaar produceren.
theoretici kunnen hun modellen altijd aanpassen, en hebben dat zo vaak gedaan, door de verwachte dwarsdoorsnede omlaag en omlaag te duwen als null resultaat nadat null resultaat binnen rolt. Dat is de slechtste soort wetenschap die je kunt doen.: gewoon de doelpalen verschuiven om geen andere fysieke reden dan jullie experimentele beperkingen zijn ernstiger geworden. Er is niet langer enige motivatie, anders dan de voorkeur te geven aan een conclusie dat de gegevens uit te sluiten, daarbij.
signaturen die natuurkundigen hebben gezocht bij de LHC, van extra dimensies tot donkere materie tot supersymmetrische deeltjes tot microzwarte gaten. Ondanks alle gegevens die we hebben verzameld van deze hoogenergetische botsingen, heeft geen van deze scenario ‘ s bewijs getoond dat hun bestaan ondersteunt. CERN / ATLAS experiment
maar het uitvoeren van deze directe detectie experimenten is nog steeds ongelooflijk waardevol. Er zijn andere manieren om donkere materie te produceren die verder gaan dan het meest conventionele scenario. Bovendien vereisen deze beperkingen geen niet-slappe bron van donkere materie. Veel andere interessante scenario ‘ s hebben geen WIMP wonder nodig.
gedurende vele decennia wordt erkend dat de” W ” niet staat voor de zwakke interactie, maar voor een interactie die niet sterker is dan toegestaan door de zwakke kracht. Als we nieuwe, verder-dan-de-standaard-model deeltjes hebben, mogen we ook nieuwe krachten en interacties hebben. Experimenten als XENON en LUX zijn onze enige manier om die te onderzoeken.
bovendien zijn donkere-materiekandidaten die worden geproduceerd door een ander mechanisme bij lagere massabereiken, zoals axionen of steriele neutrino ‘s, of door de gravitatieinteractie alleen bij hogere massa’ s, zoals WIMPzillas, erg in het spel.
op zoek naar een hypothetische interactie voor een niet-WIMP donkere materie kandidaat: het axion. Axions, als ze de donkere materie, zou kunnen omzetten in fotonen door de elektromagnetische interactie, en de hier afgebeelde holte is ontworpen om te testen op die mogelijkheid. Echter, als donkere materie niet de specifieke eigenschappen heeft waar de huidige experimenten op testen, zal geen van de detectoren die we hebben gebouwd het ooit direct vinden. Axion Dark Matter Experiment (ADMX) / LLNL ‘ s flickr
Onze jacht op donkere materie in het lab, door middel van directe detectie inspanningen, blijft belangrijke beperkingen op welke fysica aanwezig kan zijn buiten het standaardmodel. Voor degenen die gehuwd zijn met wonderen, lijken positieve resultaten nu echter steeds onwaarschijnlijker. Die zoektocht doet nu denken aan de dronkaard die op zoek is naar zijn verloren sleutels onder de lantaarnpaal. Hij weet dat ze er niet zijn, maar het is de enige plek waar het licht hem in staat stelt om te kijken schijnt.
het WIMP-wonder kan dood en verdwenen zijn, omdat deeltjes die door de zwakke kracht op de elektrozwakke schaal interageren, niet worden bevoordeeld door zowel de botsliders als de directe detectie. Het idee van WIMP dark matter leeft echter voort. We moeten gewoon onthouden dat als je WIMP hoort, we donkere materie opnemen die zwakker en slapper is dan zelfs de zwakke interacties toelaten. Er is ongetwijfeld iets nieuws daarbuiten in het universum, wachtend om ontdekt te worden.
het WIMP-wonder is voorbij. Maar we kunnen nog steeds het beste wonder van allemaal krijgen: als deze experimenten iets opleveren dat verder gaat dan een nul resultaat. De enige manier om dat te weten is door te kijken.
haal het beste van Forbes naar uw inbox met de nieuwste inzichten van experts over de hele wereld.
Volg mij op Twitter. Bekijk mijn website of een aantal van mijn andere werk hier.
Laden …
