„Cud mięczaka” nadzieja na ciemną materię jest martwa

Szukaj mięczaków, które mogą odrzut z jądrami atomowymi. Współpraca z LZ zapewni najlepsze limity przekrojów WIMP-nucleon ze wszystkich, ale najlepsze scenariusze, w których cząstka napędzana słabą siłą w skali elektrodynamicznej lub w jej pobliżu stanowi 100% ciemnej materii, są już wykluczone. LUX-ZEPLIN (Lz) Collaboration / SLAC National Accelerator Laboratory

ciemna materia jest nie tylko najliczniejszą formą materii we wszechświecie, ale także najbardziej tajemniczą. Podczas gdy wszystkie inne znane nam cząstki-Atomy, neutrina, fotony, antymateria i wszystkie inne cząstki w modelu standardowym — oddziałują na siebie przez co najmniej jedną ze znanych sił kwantowych, ciemna materia zdaje się oddziaływać tylko przez grawitację.

według wielu lepiej byłoby nazwać ją niewidzialną materią, a nie ciemną materią. Nie tylko nie emituje ani nie absorbuje światła, ale nie oddziałuje ze znanymi, bezpośrednio wykrywalnymi cząstkami poprzez elektromagnetyczne, silne lub słabe siły jądrowe. Najbardziej poszukiwanym kandydatem ciemnej materii jest mięczak: słabo oddziałująca masywna cząstka. Wielką nadzieją był cud mięczaka, Wielka przepowiednia supersymetrii.

jest rok 2019, a ta nadzieja jest teraz przerywana. Bezpośrednie eksperymenty detekcyjne całkowicie wykluczyły mięczaków, na których liczyliśmy.

zbadaj wewnętrzną strukturę zderzających się cząstek. Jeśli jedna z nich nie jest fundamentalna, ale jest raczej cząstką złożoną, eksperymenty te mogą ujawnić jej wewnętrzną strukturę. Tutaj eksperyment ma na celu pomiar sygnału rozpraszania ciemnej materii/nukleonów. Istnieje jednak wiele przyziemnych, tła, które mogłyby dać podobny wynik. Ten konkretny sygnał pojawi się w detektorach Germanu, ciekłego ksenonu i ciekłego argonu. Dark Matter Overview: Collider, Direct and Indirect Detection Searches-Queiroz, Farinaldo S. arXiv: 1605.08788

wszechświat, z perspektywy astrofizycznej, musi być zbudowany z czegoś więcej niż tylko z normalnej materii, o której wiemy. Normalna materia, w tym przypadku, kwalifikuje się jako każda ze znanych cząstek w modelu standardowym. Obejmuje ona wszystko, co zbudowane jest z kwarków, leptonów lub znanych bozonów, i obejmuje egzotyczne obiekty, takie jak gwiazdy neutronowe, czarne dziury i antymaterię. Cała normalna materia we wszechświecie została określona ilościowo za pomocą różnych metod i zawiera tylko około jednej szóstej tego, co musi być obecne, aby wyjaśnić oddziaływania grawitacyjne, które widzimy na skalach kosmicznych.

wielkim problemem jest oczywiście to, że wszystkie nasze dowody na istnienie ciemnej materii są pośrednie. Możemy zaobserwować jego efekty w Astrofizycznym laboratorium kosmicznym, ale nigdy nie wykryliśmy go bezpośrednio, w laboratorium tutaj na Ziemi. To nie z powodu braku prób.

detektor zainstalowany wewnątrz dużej osłony wodnej. Jeśli istnieje jakikolwiek niezerowy przekrój między ciemną materią a normalną materią, eksperyment taki jak ten będzie miał szansę wykryć ciemną materię bezpośrednio, ale jest szansa, że ciemna materia w końcu wejdzie w interakcję z ludzkim ciałem. INFN

jeśli chcesz bezpośrednio wykryć ciemną materię, nie jest to tak proste, jak wykrycie znanych cząstek Modelu Standardowego. Dla wszystkiego, co składa się z kwarków, leptonów lub znanych bozonów, możemy określić ilościowo, przez jakie siły oddziałują i z jaką wielkością. Możemy użyć tego, co wiemy o fizyce, a w szczególności o znanych siłach i oddziaływaniach między znanymi cząstkami, do przewidywania wielkości takich jak przekroje, szybkości rozpadu i produkty, amplitudy rozpraszania i inne właściwości, które jesteśmy w stanie zmierzyć w eksperymentalnej fizyce cząstek.

od 2019 roku spotkaliśmy się z ogromnym sukcesem na tych frontach, które potwierdziły standardowy Model w sposób, o którym zarówno teoretycy, jak i eksperymentatorzy mogli marzyć tylko pół wieku temu. Detektory w zderzaczach i odizolowane, podziemne obiekty prowadziły naprzód.

wszystkie modele zostały teraz bezpośrednio wykryte, z ostatnim zatrzymaniem, bozonem Higgsa, spadającym w LHC na początku tej dekady. Wszystkie te cząstki mogą powstawać w energiach LHC, A masy cząstek prowadzą do podstawowych stałych, które są absolutnie niezbędne do ich pełnego opisu. Cząstki te mogą być dobrze opisane przez fizykę kwantowych teorii pola leżących u podstaw Modelu Standardowego, ale nie opisują wszystkiego, jak ciemna materia. E. Siegel / poza galaktyką

istnieje całe spektrum cząstek-zarówno podstawowych, jak i złożonych-przewidywanych przez model standardowy. Ich interakcje za pośrednictwem silnych sił jądrowych, elektromagnetycznych i słabych mogą być obliczane za pomocą technik opracowanych w kwantowej teorii pola, co pozwala nam tworzyć i wykrywać te cząstki na wiele sposobów.

każdy pojedynczy kwark i antykwark został teraz bezpośrednio wyprodukowany w akceleratorze, a kwark górny, ostatni zachowany, spadł w 1995 roku.

każdy lepton i antylepton był widziany przez detektory, a neutrino Tau (i jego antymateryjny odpowiednik, Tau antyneutrino) uzupełniały Sektor leptonowy we wczesnych latach 2000.

i każdy z bozonów Modelu Standardowego został również stworzony i wykryty, a bozon Higgsa, ostatni element układanki, ostatecznie pojawił się w LHC w 2012 roku.

Bozon został zapowiedziany kilka lat temu przez współpracę CMS i ATLAS. Ale bozon Higgsa nie robi pojedynczego „skoku”w danych, ale raczej rozrzut, ze względu na nieodłączną niepewność masy. Wartość jego masy przy 125 GeV / C^2 jest zagadkowa dla fizyków, ale nie tak zaskakująca jak zagadka ciemnej materii. Współpraca CMS, „obserwacja rozpadu difotonowego bozonu Higgsa i pomiar jego właściwości”, (2014)

rozumiemy, jak zachowują się cząstki Modelu Standardowego. Mamy solidne prognozy na to, jak powinny oddziaływać przez wszystkie podstawowe siły i eksperymentalne potwierdzenie tych teorii. Mamy również Nadzwyczajne ograniczenia co do tego, jak mogą wchodzić w interakcje w sposób wykraczający poza standardowy Model. Z powodu naszych ograniczeń związanych z akceleratorami, promieniowaniem kosmicznym, eksperymentami rozpadu, reaktorami jądrowymi i innymi, byliśmy w stanie wykluczyć wiele możliwych pomysłów, które zostały teoretyzowane.

jeśli chodzi o to, co może składać się na ciemną materię, wszystko, co mamy, to obserwacje Astrofizyczne i nasza teoretyczna praca, w parze, aby nas poprowadzić. Możliwe teorie, które wymyśliliśmy, obejmują ogromną liczbę kandydatów na ciemną materię, ale żadna nie zyskała żadnego wsparcia eksperymentalnego.

para do ciemnej materii czy nie. Grawitacja jest pewna; wszystkie inne albo nie, albo są mocno ograniczone co do poziomu interakcji. Perimeter Institute

najbardziej poszukiwanym kandydatem ciemnej materii jest WIMP: słabo oddziałująca masywna cząstka. W pierwszych dniach — tj., jeszcze w latach 70-tych-zdano sobie sprawę, że niektóre teorie fizyki cząstek, które przewidywały nowe cząstki poza Modelem Standardowym, mogą ostatecznie wytworzyć nowe typy stabilnych, neutralnych cząstek, Jeśli pojawi się jakiś nowy typ parzystości (rodzaj symetrii), który zapobiegał ich rozpadowi.

obejmuje to teraz idee takie jak supersymetria, dodatkowe wymiary lub scenariusz małego Higgsa. Wszystkie te scenariusze mają wspólną historię:

• kiedy Wszechświat był gorący i gęsty na początku, wszystkie cząstki (i antycząstki), które można było stworzyć, zostały stworzone w wielkiej obfitości, w tym wszelkie dodatkowe, wykraczające poza standardowe modele.
• kiedy Wszechświat ochłodził się, cząstki te rozpadały się na coraz lżejsze i bardziej stabilne.
• a gdyby najlżejszy był stabilny (ze względu na nową symetrię parzystości) i elektrycznie neutralny, utrzymałby się do dnia dzisiejszego.

jeśli ocenisz masę i przekrój tych nowych cząstek, możesz uzyskać przewidywaną gęstość dla ich szacowanej liczebności dzisiaj.

obfitość ciemnej materii (oś y), aby ciemna materia miała właściwe przekroje oddziaływań z normalną materią (po lewej) i właściwe właściwości samo-anihilacji (po prawej). Eksperymenty z bezpośrednim wykrywaniem wykluczają teraz te wartości, wymuszone przez Plancka (Greena), nieprzystosowującego słabej, oddziałującej siły, ciemnej materii. P. S. Bhupal Dev, Anupam Mazumdar, & Saleh Qutub, Front.in Phys. 2 (2014) 26

stąd wzięła się idea ciemnej materii. Te nowe cząstki nie mogły oddziaływać poprzez oddziaływanie silne lub elektromagnetyczne; te interakcje mają zbyt duży przekrój i już by się pojawiły. Ale słabe oddziaływanie jądrowe jest możliwe. Pierwotnie” W ” w WIMP oznaczało słabe współdziałanie, ze względu na spektakularny zbieg okoliczności (pojawiający się w supersymetrii) znany jako cud WIMP.

jeśli umieścisz gęstość ciemnej materii, której Wszechświat wymaga dzisiaj, możesz wywnioskować, ile cząstek ciemnej materii potrzebujesz o danej masie, aby ją uzupełnić. Masowa skala zainteresowania supersymetrią-lub jakąkolwiek teorią pojawiającą się w skali elektrodynamicznej — znajduje się w polu Od 100 GeV do 1 TeV, więc możemy obliczyć, jaki musi być przekrój samo-anihilacji, aby uzyskać odpowiednią obfitość ciemnej materii.

ta wartość (przekroju pomnożonego przez prędkość) okazuje się wynosić około 3 × 10-26 cm3/s, co jest zgodne z tym, czego można się spodziewać, gdyby takie cząstki oddziaływały przez siłę elektrozaworu.

każda podstawowa interakcja obejmująca silne, słabe i elektromagnetyczne siły, w tym w Warunkach wysokoenergetycznych i niskotemperaturowych / skondensowanych. Jeśli istnieje nowa cząstka, która łączy się ze słabą interakcją, będą one oddziaływać, na pewnym poziomie, ze znanymi cząstkami Modelu Standardowego, a zatem mają przekrój z protonem i neutronem. de Carvalho, Vanuildo S. et al. Nucl.Phys. B875 (2013) 738-756

oczywiście, jeśli jakieś nowe cząstki wchodzą w interakcję poprzez siłę elektrozaworu, połączyłyby się również z cząstkami Modelu Standardowego. Jeśli nowa cząstka połączy się, na przykład, z bozonem W lub z (które przenoszą słabą siłę), to istnieje skończone, niezerowe prawdopodobieństwo, że cząstki te zderzą się z dowolną cząstką, z którą Bozon W lub z połączy się, jak kwark w protonie lub neutronie.

oznacza to, że możemy konstruować eksperymenty z ciemną materią w poszukiwaniu odrzutu jądrowego znanych, normalnych cząstek materii. Odchodzenie poza te spowodowane przez normalną materię byłoby dowodem na istnienie ciemnej materii. Oczywiście, istnieją zdarzenia tła: neutrony, neutrina, radioaktywnie rozpadające się jądra w otaczającej materii itp. Ale jeśli znasz kombinacje energii i pędu sygnału, którego szukasz i sprytnie zaprojektujesz swój eksperyment, możesz obliczyć tło i wyodrębnić potencjalny sygnał ciemnej materii, który może tam być.

Kolaboracja LUX, która skutecznie wykluczała ostatnią z 2000-ecznej przestrzeni parametrów dla mięczaków oddziałujących za pomocą słabej siły stanowiącej 100% ciemnej materii. Zauważ, w lekko zacienionych obszarach w tle, jak teoretycy tworzą nowe, „poprawione” prognozy na niższych i niższych przekrojach. Nie ma do tego dobrej fizycznej motywacji. Współpraca LUX, Phys. Wielebny Lett. 118, 251302 (2017)

eksperymenty te trwają od dziesięcioleci i nie zaobserwowano ciemnej materii. Najbardziej rygorystyczne nowoczesne ograniczenia pochodzą z LUX (powyżej) i XENON 1T (poniżej). Wyniki te informują nas, że przekrój interakcji dla protonów i neutronów jest niezwykle mały i różni się zarówno dla scenariuszy zależnych od spinu, jak i niezależnych od spinu.

LUX doprowadził nas do zależnych od spinu granic przekroju poniżej 1,0-1,6 × 10-41 cm2 dla protonów i neutronów oraz niezależnych od spinu poniżej 1,0 × 10-46 cm2: wystarczająco niski, aby wykluczyć wszystkie modele ciemnej materii SUSY zaproponowane w 2001 roku. Bardziej czułe ograniczenie pochodzi teraz z ksenonu: zależne od spinu ograniczenie neutronów wynosi 6 × 10-42 cm2, podczas gdy niezależne od spinu przekroje są poniżej 4,1 × 10-47 cm2, dodatkowo dokręcając śruby.

teraz dostaje swoje najbardziej rygorystyczne limity z eksperymentu XENON1T, który poprawił się w stosunku do wszystkich wcześniejszych eksperymentów, w tym LUX. Podczas gdy teoretycy i fenomenolodzy bez wątpienia będą nadal produkować nowe prognozy o coraz mniejszych przekrojach, idea cudu mięczaka straciła wszelką rozsądną motywację z wynikami eksperymentalnymi, które już mamy pod ręką. E. Aprile et al., Phys. Wielebny Lett. 121, 111302 (2018)

to inny pomiar niż samonihilacja cząstek ciemnej materii, ale ten pomiar mówi nam coś niezwykle cennego. Modele supersymetrii lub dodatkowych wymiarów, które dają właściwą obfitość ciemnej materii poprzez oddziaływania słabe, są wykluczone przez te eksperymenty. Jeśli istnieje słaba ciemna materia, musi być słabsza niż oddziaływanie słabe pozwala na 100% ciemnej materii. Ponadto LHC nie powinno wykrywalnie go wytwarzać.

teoretycy zawsze mogą poprawiać swoje modele i robili to tak wiele razy, przesuwając przewidywany przekrój w dół iw dół, ponieważ wynik null po wyniku null wchodzi. To najgorszy rodzaj nauki, jaki możesz zrobić, jednak: po prostu przesunięcie bramek bez fizycznego powodu innego niż eksperymentalne ograniczenia stały się poważniejsze. Nie ma już żadnej motywacji, poza preferowaniem wniosku, że dane się wykluczają, czyniąc to.

podpisy, których fizycy poszukiwali w LHC, od dodatkowych wymiarów przez ciemną materię, przez supersymetryczne cząstki po mikro-czarne dziury. Pomimo wszystkich danych, które zebraliśmy z tych zderzeń wysokoenergetycznych, żaden z tych scenariuszy nie wykazał dowodów na ich istnienie. Eksperyment CERN / ATLAS

ale przeprowadzanie tych eksperymentów z bezpośrednim wykrywaniem jest wciąż niezwykle cenne. Istnieją inne sposoby wytwarzania ciemnej materii, które wykraczają poza najbardziej konwencjonalny scenariusz. Ponadto ograniczenia te nie wymagają nie-chudego źródła ciemnej materii. Wiele innych ciekawych scenariuszy nie potrzebuje cudu mięczaka.

przez wiele dziesięcioleci „W” było uznawane za nie dla słabej interakcji, ale za interakcję nie silniejszą niż pozwala na to słaba siła. Jeśli mamy nowe, wykraczające poza standardowy model cząstki, możemy mieć również nowe siły i interakcje. Eksperymenty takie jak ksenon i LUX to nasz jedyny sposób, aby je zbadać.

dodatkowo, kandydaci ciemnej materii, które są wytwarzane przez inny mechanizm w niższych zakresach mas, takich jak aksjony lub sterylne neutrina, lub przez oddziaływanie grawitacyjne same w wyższych masach, takich jak WIMPzillas, są bardzo w grze.

chce wykorzystać hipotetyczną interakcję dla nie-mięczaka kandydata ciemnej materii: axion. Aksjony, jeśli są ciemną materią, mogą przekształcić się w fotony poprzez oddziaływanie elektromagnetyczne, a pokazana tutaj wnęka jest zaprojektowana do badania takiej możliwości. Jeśli jednak ciemna materia nie ma specyficznych właściwości, na które testowane są obecne eksperymenty, żaden z detektorów, które zbudowaliśmy, nie znajdzie jej bezpośrednio. Axion Dark Matter Experiment (ADMX) / flickr LLNL

nasze poszukiwania ciemnej materii w laboratorium, poprzez bezpośrednie działania detekcyjne, nadal nakładają ważne ograniczenia na to, co fizyka może być obecna poza Modelem Standardowym. Jednak dla tych, którzy uwierzyli w cuda, wszelkie pozytywne rezultaty wydają się coraz bardziej nieprawdopodobne. Te poszukiwania przypominają teraz pijaka szukającego zagubionych kluczy pod latarnią. Wie, że ich tam nie ma, ale to jedyne miejsce, w którym świeci światło umożliwiające mu spojrzenie.

cud WIMP może być martwy i zniknął, ponieważ cząstki oddziałujące za pomocą słabej siły w skali elektrozaczepu zostały zniekształcone zarówno przez zderzacze, jak i bezpośrednie wykrywanie. Idea WIMP dark matter żyje jednak dalej. Musimy tylko pamiętać, że kiedy usłyszysz WIMP, włączamy ciemną materię, która jest słabsza i słabsza, niż pozwalają na to słabe interakcje. We wszechświecie jest niewątpliwie coś nowego, co czeka na odkrycie.

cud mięczaka się skończył. Ale nadal możemy uzyskać najlepszy cud ze wszystkich: jeśli te eksperymenty wykażą coś poza wynikiem zerowym. Jedynym sposobem, aby wiedzieć, jest spojrzeć.

Obserwuj mnie na Twitterze. Sprawdź moją stronę internetową lub niektóre z moich innych prac tutaj.