Speranța miracolului WIMP pentru materia întunecată este moartă

uita-te pentru WIMPs care pot recul cu nuclee atomice. Colaborarea LZ va oferi cele mai bune limite pentru secțiunile transversale wimp-nucleon dintre toate, dar cele mai bune scenarii motivate pentru a avea o particulă cu forță slabă la sau aproape de scara electroweak reprezintă 100% din materia întunecată sunt deja excluse. LUX – Zeplin (LZ) Collaboration / SLAC National Accelerator Laboratory

materia întunecată nu este doar cea mai abundentă formă de materie din univers, ci și cea mai misterioasă. În timp ce toate celelalte particule pe care le cunoaștem — atomi, neutrini, fotoni, antimaterie și toate celelalte particule din modelul Standard — interacționează prin cel puțin una dintre forțele cuantice cunoscute, materia întunecată pare să interacționeze numai prin gravitație.

potrivit multora, ar fi mai bine să o numim materie invizibilă, mai degrabă decât materie întunecată. Nu numai că nu emite sau absoarbe lumina, dar nu interacționează cu niciuna dintre particulele cunoscute, detectabile direct prin forțele nucleare electromagnetice, puternice sau slabe. Cel mai căutat candidat la materia întunecată este WIMP: particula masivă care interacționează slab. Marea speranță era pentru un miracol WIMP, o mare predicție a supersimetriei.

este 2019, iar această speranță este acum spulberată. Experimentele de detectare directă au exclus complet Wimp-urile pe care le speram.

sondează structura internă a particulelor care se ciocnesc. Dacă una dintre ele nu este fundamentală, ci este mai degrabă o particulă compusă, aceste experimente pot dezvălui structura sa internă. Aici, un experiment este conceput pentru a măsura semnalul de împrăștiere a materiei întunecate/nucleonului. Cu toate acestea, există multe contribuții lumești, de fond, care ar putea da un rezultat similar. Acest semnal special va apărea în detectoarele de germaniu, XENON lichid și ARGON lichid. Privire de ansamblu asupra materiei întunecate: căutări de detectare directă și indirectă – Queiroz, Farinaldo S. arxiv: 1605.08788

universul, dintr-o perspectivă astrofizică, trebuie să fie făcut din mai mult decât materia normală pe care o cunoaștem. Materia normală, în acest caz, se califică ca oricare dintre particulele cunoscute din modelul Standard. Include orice produs din cuarci, leptoni sau bosoni cunoscuți și include obiecte exotice precum stele neutronice, găuri negre și antimaterie. Toată materia normală din Univers a fost cuantificată printr-o varietate de metode și totalizează doar aproximativ o șesime din ceea ce trebuie să fie prezent, în general, pentru a explica interacțiunile gravitaționale pe care le vedem la scară cosmică.

marea problemă, desigur, este că toate dovezile noastre pentru materia întunecată sunt indirecte. Putem observa efectele sale în laboratorul astrofizic al spațiului, dar nu l-am detectat niciodată direct, într-un laborator de aici de pe Pământ. Asta nu este, te superi, pentru o lipsă de a încerca.

detector instalat în interiorul scutului mare de apă. Dacă există o secțiune transversală diferită de zero între materia întunecată și materia normală, nu numai că un experiment ca acesta va avea șansa de a detecta direct materia întunecată, dar există șansa ca materia întunecată să interacționeze în cele din urmă cu corpul uman. INFN

dacă doriți să detectați direct materia întunecată, nu este la fel de simplu ca detectarea particulelor cunoscute ale Modelului Standard. Pentru orice format din cuarci, leptoni sau bosoni cunoscuți, putem cuantifica prin ce forțe interacționează și cu ce magnitudine. Putem folosi ceea ce știm despre fizică, și în special despre forțele cunoscute și interacțiunile dintre particulele cunoscute, pentru a prezice cantități precum secțiuni transversale, rate de descompunere și produse, amplitudini de împrăștiere și alte proprietăți pe care suntem capabili să le măsurăm în fizica experimentală a particulelor.

începând din 2019, ne-am întâlnit cu un succes extraordinar pe acele fronturi care au confirmat modelul Standard în moduri la care atât teoreticienii, cât și experimentatorii ar fi putut visa doar acum o jumătate de secol. Detectoarele de la colizoare și instalațiile subterane izolate au condus calea de urmat.

a fost acum detectat direct, cu ultima rezistență, bosonul Higgs, care a căzut la LHC la începutul acestui deceniu. Toate aceste particule pot fi create la energiile LHC, iar masele particulelor conduc la constante fundamentale care sunt absolut necesare pentru a le descrie pe deplin. Aceste particule pot fi bine descrise de fizica teoriilor câmpului cuantic care stau la baza modelului Standard, dar ele nu descriu totul, cum ar fi materia întunecată. E. Siegel / dincolo de galaxie

există un întreg spectru de particule — atât fundamentale, cât și compozite — prezise de modelul Standard. Interacțiunile lor prin forțele nucleare puternice, electromagnetice și nucleare slabe pot fi calculate prin tehnici dezvoltate în teoria câmpului cuantic, permițându-ne să creăm și să detectăm aceste particule într-o varietate de moduri.

fiecare Quark și antiquark au fost acum produse direct într-un accelerator, cu quark-ul superior, ultimul holdout, care a scăzut în 1995.

fiecare lepton și antilepton a fost văzut de detectoare, neutrinul tau (și omologul său antimaterie, tau antineutrino) completând sectorul lepton la începutul până la mijlocul anilor 2000.

și fiecare dintre bosonii Modelului Standard a fost creat și detectat, de asemenea, cu bosonul Higgs, ultima piesă a puzzle-ului, apărând definitiv la LHC în 2012.

boson a fost anunțat acum câțiva ani atât de colaborările CMS, cât și de ATLAS. Dar bosonul Higgs nu face o singură ‘spike’ în date, ci mai degrabă o ciocnire răspândită, datorită incertitudinii sale inerente în masă. Valoarea masei sale la 125 GeV / C^2 este încurcată pentru fizicieni, dar nu la fel de derutantă ca puzzle-ul materiei întunecate. Colaborarea CMS, „observarea dezintegrării difotonice a bosonului Higgs și măsurarea proprietăților sale”, (2014)

înțelegem cum se comportă particulele Modelului Standard. Avem predicții solide pentru modul în care ar trebui să interacționeze prin toate forțele fundamentale și confirmarea experimentală a acestor teorii. Avem, de asemenea, constrângeri extraordinare cu privire la modul în care li se permite să interacționeze într-un mod dincolo de modelul Standard. Din cauza constrângerilor noastre de la acceleratoare, raze cosmice, experimente de dezintegrare, reactoare nucleare și multe altele, am reușit să excludem multe idei posibile care au fost teoretizate.

când vine vorba de ceea ce ar putea alcătui materia întunecată, totuși, tot ce avem sunt observațiile astrofizice și munca noastră teoretică, în tandem, pentru a ne ghida. Teoriile posibile pe care le-am inventat includ un număr imens de candidați la materia întunecată, dar niciunul care să fi obținut vreun sprijin experimental.

cuplu de materie întunecată sau nu. Gravitația este o certitudine; toate celelalte sunt fie nu, fie sunt foarte constrânse în ceea ce privește nivelul de interacțiune. Perimeter Institute

cel mai căutat candidat la materia întunecată este WIMP: particula masivă care interacționează slab. În primele zile — adică., în anii 1970-s-a realizat că unele teorii ale fizicii particulelor care preziceau particule noi dincolo de modelul Standard ar putea produce în cele din urmă noi tipuri de particule stabile și neutre dacă ar exista un nou tip de paritate (un tip de simetrie) care le-a împiedicat să se descompună.

aceasta include acum idei precum supersimetria, dimensiunile suplimentare sau micul scenariu Higgs. Toate aceste scenarii au aceeași poveste în comun:

• când Universul era fierbinte și dens la început, toate particulele (și antiparticulele) care puteau fi create au fost create din abundență, inclusiv cele suplimentare, dincolo de modelul Standard.
• când Universul s-a răcit, acele particule s-au descompus în altele progresiv mai ușoare și mai stabile.
• și dacă cel mai ușor ar fi stabil (din cauza noii simetrii de paritate) și neutru din punct de vedere electric, ar persista până în prezent.

dacă evaluați care sunt masa și secțiunea transversală a acestor particule noi, puteți obține o densitate prezisă pentru abundența lor estimată astăzi.

abundența materiei întunecate (axa y), aveți nevoie ca materia întunecată să aibă secțiunile transversale de interacțiune corecte cu materia normală (stânga) și proprietățile corecte de auto-anihilare (dreapta). Experimentele de detectare directă exclud acum aceste valori, necesare de Planck (verde), defavorizând materia întunecată wimp care interacționează cu forța slabă. P. S. Bhupal Dev, Anupam Mazumdar, & Saleh Qutub, Front.in fizică. 2 (2014) 26

de aici a venit ideea materiei întunecate WIMP. Aceste particule noi nu ar fi putut interacționa prin interacțiunea puternică sau electromagnetică; aceste interacțiuni au o secțiune transversală prea mare și ar fi apărut deja. Dar interacțiunea nucleară slabă este o posibilitate. Inițial, „W” în WIMP a reprezentat interacțiunea slabă, din cauza unei coincidențe spectaculoase (care apare în supersimetrie) cunoscută sub numele de miracolul WIMP.

dacă pui densitatea materiei întunecate de care Universul are nevoie astăzi, poți deduce de câte particule de materie întunecată ai nevoie dintr-o anumită masă pentru a o alcătui. Scara de masă de interes pentru supersimetrie — sau orice teorie care apare la scara electroweak — se află în stadionul de la 100 GeV la 1 TeV, astfel încât să putem calcula care trebuie să fie secțiunea transversală de auto-anihilare pentru a obține abundența potrivită de materie întunecată.

această valoare (a secțiunii transversale înmulțită cu viteza) se dovedește a fi în jurul valorii de 3 10-26 cm3/s, ceea ce este în concordanță cu ceea ce v-ați aștepta dacă astfel de particule ar interacționa prin forța electroslabă.

fiecare interacțiune fundamentală care acoperă forțele puternice, slabe și electromagnetice, inclusiv în condiții de energie ridicată și temperatură scăzută/condensată. Dacă există o particulă nouă care se cuplează cu interacțiunea slabă, acestea vor interacționa, la un anumit nivel, cu particulele modelului standard cunoscute și, prin urmare, vor avea o secțiune transversală cu protonul și neutronul. de Carvalho, Vanuildo S. și colab. Nucl.Fizică. B875 (2013) 738-756

desigur, dacă particule noi interacționează prin forța electroslabă, s-ar cupla și cu particulele Modelului Standard. Dacă o nouă particulă se cuplează, de exemplu, cu bosonul W sau Z (care poartă forța slabă), atunci există o probabilitate finită, diferită de zero, ca aceste particule să se ciocnească cu orice particulă cu care se cuplează un boson W sau Z, ca un quark într-un proton sau neutron.

aceasta înseamnă că putem construi experimente de materie întunecată în căutarea unui recul nuclear de particule de materie cunoscute, normale. Reculurile dincolo de cele cauzate de materia normală ar fi dovezi pentru existența materiei întunecate. Sigur, există evenimente de fundal: neutroni, neutrini, nuclee care se descompun radioactiv în materia înconjurătoare etc. Dar dacă cunoașteți combinațiile de energie și impuls ale semnalului pe care îl căutați și vă proiectați experimentul inteligent, vă puteți cuantifica fundalul și puteți extrage orice semnal potențial de materie întunecată care ar putea fi acolo.

colaborarea LUX, care a exclus efectiv ultimul spațiu parametru din epoca 2000 pentru WIMP-urile care interacționează prin forța slabă fiind 100% din materia întunecată. Rețineți, în zonele ușor umbrite din fundal, modul în care teoreticienii fac predicții noi, revizuite, la secțiunile transversale inferioare și inferioare. Nu există o motivație fizică bună pentru a face acest lucru. LUX colaborare, Phys. Rev. Lett. 118, 251302 (2017)

aceste experimente au fost în curs de desfășurare de zeci de ani și nu au văzut nici o materie întunecată. Cele mai stricte constrângeri moderne provin de la LUX (mai sus) și XENON 1T (mai jos). Aceste rezultate ne informează că secțiunea transversală de interacțiune pentru protoni și neutroni este extraordinar de mică și este diferită atât pentru scenariile dependente de spin, cât și pentru cele independente de spin.

LUX ne-a adus la limite de secțiune transversală dependente de spin sub 1,0-1,6 10-41 cm2 pentru protoni și neutroni și cele independente de spin sub 1,0 10-46 cm2: suficient de scăzut pentru a exclude toate modelele de materie întunecată Susy propuse până în 2001. O constrângere mai sensibilă vine acum de la XENON: constrângerea neutronică dependentă de spin este de 6 XTX 10-42 cm2, în timp ce secțiunile transversale independente de spin sunt sub 4,1 XTX 10-47 cm2, strângând în continuare șuruburile.

acum își obține cele mai stricte limite din experimentul XENON1T, care s-a îmbunătățit față de toate experimentele anterioare, inclusiv LUX. În timp ce teoreticienii și fenomenologii vor continua, fără îndoială, să producă noi predicții cu secțiuni transversale din ce în ce mai mici, ideea unui miracol WIMP a pierdut toată motivația rezonabilă cu rezultatele experimentale pe care le avem deja în mână. E. Aprile și colab. Phys. Rev. Lett. 121, 111302 (2018)

aceasta este o măsurătoare diferită de a avea particule de materie întunecată care se auto-anihilează, dar această măsurare ne spune ceva incredibil de valoros. Modelele de supersimetrie sau dimensiuni suplimentare care dau abundențele corecte ale materiei întunecate prin interacțiunile slabe sunt excluse de aceste experimente. Dacă există materie întunecată WIMP, aceasta trebuie să fie mai slabă decât permite interacțiunea slabă pentru a cuprinde 100% din materia întunecată. În plus, LHC nu ar trebui să-l producă detectabil.

teoreticienii își pot modifica întotdeauna modelele și au făcut-o de atâtea ori, împingând secțiunea transversală anticipată în jos și în jos ca rezultat nul după ce rezultatul nul se rostogolește. Cu toate acestea, acesta este cel mai rău tip de știință pe care îl puteți face: simpla deplasare a stâlpilor de țintă fără alt motiv fizic decât constrângerile experimentale au devenit mai severe. Nu mai există nicio motivație, în afară de a prefera o concluzie pe care datele o exclud, în acest sens.

semnături pe care fizicienii le-au căutat la LHC, de la dimensiuni suplimentare la materie întunecată la particule supersimetrice la găuri micro-negre. În ciuda tuturor datelor pe care le-am colectat din aceste coliziuni cu energie mare, niciunul dintre aceste scenarii nu a arătat dovezi care să susțină existența lor. Experimentul CERN / ATLAS

dar efectuarea acestor experimente de detectare directă este încă incredibil de valoroasă. Există și alte modalități de a produce materie întunecată care depășesc cel mai convențional scenariu. Mai mult, aceste constrângeri nu necesită o sursă non-WIMPy de materie întunecată. Multe alte scenarii interesante nu au nevoie de un miracol WIMP.

timp de mai multe decenii, „W” A fost recunoscut pentru a sta nu pentru interacțiunea slabă, ci pentru a sta pentru o interacțiune nu mai puternică decât este permisă de forța slabă. Dacă avem particule noi, dincolo de modelul Standard, ni se permite să avem și noi forțe și interacțiuni. Experimente precum XENON și LUX sunt singura noastră cale de a le sonda.

în plus, candidații materiei întunecate care sunt produși de un mecanism diferit la intervale de masă mai mici, cum ar fi axionii sau neutrinii sterili, sau numai prin interacțiunea gravitațională la mase mai mari, cum ar fi Wimpzilele, sunt foarte mult în joc.

căutând să exploateze o interacțiune ipotetică pentru un candidat de materie întunecată non-WIMP: Axionul. Axionii, dacă sunt materia întunecată, s-ar putea converti în fotoni prin interacțiunea electromagnetică, iar cavitatea prezentată aici este concepută pentru a testa această posibilitate. Cu toate acestea, dacă materia întunecată nu are proprietățile specifice pe care le testează experimentele actuale, niciunul dintre detectoarele pe care le-am construit nu o va găsi vreodată direct. Experimentul Axion Dark Matter (ADMX) / flickr

al LLNL, vânătoarea noastră de materie întunecată în laborator, prin eforturi directe de detectare, continuă să pună constrângeri importante asupra a ceea ce fizica poate fi prezentă dincolo de modelul Standard. Pentru cei căsătoriți cu miracole, totuși, orice rezultate pozitive par acum din ce în ce mai puțin probabile. Această căutare amintește acum de bețivul care își căuta cheile pierdute sub felinar. El știe că nu sunt acolo, dar este singurul loc în care lumina care îi permite să privească strălucește.

miracolul WIMP poate fi mort și dispărut, deoarece particulele care interacționează prin forța slabă la scara electroweak au fost defavorizate atât de colizori, cât și de detectarea directă. Ideea de materie întunecată WIMP, cu toate acestea, trăiește. Trebuie doar să ne amintim, când auziți WIMP, includem materia întunecată care este mai slabă și mai slabă decât chiar și interacțiunile slabe vor permite. Există, fără îndoială, ceva nou în Univers, care așteaptă să fie descoperit.

miracolul WIMP s-a terminat. Dar tot am putea obține cel mai bun miracol dintre toate: dacă aceste experimente vor dovedi ceva dincolo de un rezultat nul. Singura modalitate de a ști este să te uiți.

Urmărește-mă pe Twitter. Check out site-ul meu sau o parte din alte munca mea aici.