’WIMP Miracle’ hopp för mörk materia är död

leta efter mesar som kan rekyl med atomkärnor. Lz-samarbetet kommer att ge de bästa gränserna för WIMP-nukleon-tvärsnitt av alla, men de bästa motiverade scenarierna för att ha en svag kraftdriven partikel vid eller nära elektrosvag skala utgör 100% av den mörka materien är redan uteslutna. LUX-ZEPLIN (LZ) Collaboration / SLAC National Accelerator Laboratory

mörk materia är inte bara den vanligaste formen av materia i universum, det är också den mest mystiska. Medan alla andra partiklar vi känner till-atomer, neutriner, fotoner, antimateria och alla andra partiklar i Standardmodellen — interagerar genom åtminstone en av de kända kvantkrafterna, verkar mörk materia interagera genom gravitation ensam.

enligt många skulle det vara bättre att ha kallat det osynlig Materia, snarare än mörk materia. Det avger inte bara eller absorberar ljus, men det interagerar inte med någon av de kända, direkt detekterbara partiklarna genom de elektromagnetiska, starka eller svaga kärnkrafterna. Den mest eftertraktade kandidaten för mörk materia är WIMP: den svagt interagerande massiva partikeln. Det stora hoppet var för ett WIMP-mirakel, en stor förutsägelse av supersymmetri.

det är 2019, och det hoppet är nu streckat. Direkta detektionsexperiment har grundligt uteslutit de WIMPs vi hoppades på.

sondera den inre strukturen hos partiklarna som kolliderar. Om en av dem inte är grundläggande, utan snarare är en kompositpartikel, kan dessa experiment avslöja sin inre struktur. Här är ett experiment utformat för att mäta den mörka materien/nukleonspridningssignalen. Det finns dock många vardagliga bakgrundsbidrag som kan ge ett liknande resultat. Denna speciella signal kommer att dyka upp i germanium, flytande XENON och flytande ARGON detektorer. Översikt över mörk materia: Collider, Direct and Indirect Detection Searches-Queiroz, Farinaldo S. arXiv: 1605.08788

universum, ur ett astrofysiskt perspektiv, måste göras av mer än bara den normala materien vi känner till. Normal materia, i detta fall, kvalificerar sig som någon av de kända partiklarna i Standardmodellen. Den innehåller allt från kvarkar, leptoner eller de kända bosonerna, och inkluderar exotiska föremål som neutronstjärnor, svarta hål och antimateria. All den normala materien i universum har kvantifierats genom en mängd olika metoder, och det uppgår bara till ungefär en sjätte av vad som måste vara närvarande för att förklara de gravitationsinteraktioner vi ser på kosmiska skalor.

det stora problemet är naturligtvis att alla våra bevis för mörk materia är indirekta. Vi kan observera dess effekter i rymdens astrofysiska laboratorium, men vi har aldrig upptäckt det direkt, i ett laboratorium här på jorden. Det är inte, Märk väl, för en brist på att försöka.

detektor installerad inuti den stora vattenskölden. Om det finns något icke-nolltvärsnitt mellan mörk materia och normal materia, kommer inte bara ett experiment som detta att ha en chans att upptäcka mörk materia direkt, men det finns en chans att mörk materia så småningom kommer att interagera med din mänskliga kropp. INFN

om du direkt vill upptäcka mörk materia är det inte så enkelt som att upptäcka de kända partiklarna i Standardmodellen. För allt som görs av kvarkar, leptoner eller de kända bosonerna kan vi kvantifiera vilka krafter de interagerar genom och med vilken storlek. Vi kan använda det vi vet om fysik, och i synnerhet om de kända krafterna och interaktionerna mellan de kända partiklarna, för att förutsäga kvantiteter som tvärsnitt, sönderfallshastigheter och produkter, spridningsamplituder och andra egenskaper som vi kan mäta i experimentell partikelfysik.

från och med 2019 har vi mött enorm framgång på de fronter som har bekräftat standardmodellen på sätt som både teoretiker och experimentalister bara kunde ha drömt om för ett halvt sekel sedan. Detektorer vid kolliderare och isolerade underjordiska anläggningar har lett vägen framåt.

modellen har nu alla upptäckts direkt, med den sista hållningen, Higgs boson, som faller vid LHC tidigare detta decennium. Alla dessa partiklar kan skapas vid LHC-energier, och partiklarnas massor leder till grundläggande konstanter som är absolut nödvändiga för att beskriva dem fullständigt. Dessa partiklar kan beskrivas väl av fysiken i kvantfältteorierna som ligger bakom standardmodellen, men de beskriver inte allt, som mörk materia. E. Siegel / Beyond the Galaxy

det finns ett helt spektrum av partiklar — både grundläggande och sammansatta — förutsagda av standardmodellen. Deras interaktioner genom de starka kärnkrafterna, elektromagnetiska och svaga kärnkrafterna kan beräknas genom tekniker som utvecklats i kvantfältteori, så att vi kan skapa och upptäcka dessa partiklar på olika sätt.

varje enskild kvark och antikvark har nu producerats direkt i en accelerator, med toppkvarken, den sista hållningen, som faller 1995.

varje lepton och antilepton har setts av detektorer, med tau neutrino (och dess antimateria motsvarighet, tau antineutrino) slutföra lepton sektorn i början till mitten av 2000-talet.

och var och en av standardmodellen bosoner har skapats och upptäckts samt, med Higgs boson, den sista pusselbiten, definitivt förekommer på LHC i 2012.

boson tillkännagavs för några år sedan av både CMS och ATLAS samarbeten. Men Higgs boson gör inte en enda ’spik’ i data, utan snarare en spridd bula, på grund av dess inneboende osäkerhet i massa. Värdet av dess massa vid 125 GeV/c^2 är förbryllande för fysiker, men inte lika förvirrande som dark matter-pusslet. CMS-samarbetet, ”Observation av diphotonförfallet av Higgs boson och mätning av dess egenskaper”, (2014)

vi förstår hur standardmodellpartiklarna beter sig. Vi har solida förutsägelser för hur de ska interagera genom alla grundläggande krafter och experimentell bekräftelse av dessa teorier. Vi har också extraordinära begränsningar för hur de får interagera på ett sätt utöver standardmodellen. På grund av våra begränsningar från acceleratorer, kosmiska strålar, sönderfallsexperiment, kärnreaktorer och mer har vi kunnat utesluta många möjliga ideer som har teoretiserats.

när det gäller vad som kan utgöra den mörka materien är emellertid allt vi har de astrofysiska observationerna och vårt teoretiska arbete, i tandem, för att vägleda oss. De möjliga teorier som vi har kommit fram till inkluderar ett stort antal kandidater för mörk materia, men ingen som har fått något experimentellt stöd.

par till mörk materia eller inte. Gravitation är en säkerhet; alla andra är antingen inte eller är starkt begränsade till interaktionsnivån. Perimeter Institute

den mest eftertraktade kandidaten för mörk materia är WIMP: den svagt interagerande massiva partikeln. I de tidiga dagarna-dvs., tillbaka på 1970 — talet-insåg man att vissa partikelfysikteorier som förutspådde nya partiklar utöver standardmodellen så småningom kunde producera nya typer av stabila, neutrala partiklar om det fanns någon ny typ av paritet (en typ av symmetri) som hindrade dem från att förfallna.

detta inkluderar nu ideer som supersymmetri, extra dimensioner eller det lilla Higgs-scenariot. Alla dessa scenarier har samma historia gemensamt:

• när universum var varmt och tätt tidigt skapades alla partiklar (och antipartiklar) som kunde skapas i stor överflöd, inklusive eventuella extra, utöver standardmodellen.
• när universum kyldes, förfaller dessa partiklar till gradvis lättare och mer stabila.
• och om den lättaste var stabil (på grund av den nya paritetssymmetrin) och elektriskt neutral, skulle den bestå till idag.

om du utvärderar vad massan och tvärsnittet av de nya partiklarna är, kan du få en förutsagd densitet för deras beräknade överflöd idag.

överflöd av mörk materia (y-axel), du behöver för mörk materia att ha rätt interaktionstvärsnitt med normal Materia (vänster) och rätt självförstörande egenskaper (höger). Direktdetekteringsexperiment utesluter nu dessa värden, som är nödvändiga av Planck (grön), som missgynnar svag-kraft-interagerande WIMP mörk materia. P. S. Bhupal Dev, Anupam Mazumdar, & Saleh Qutub, Front.in Phys. 2 (2014) 26

det var här tanken på WIMP dark matter kom ifrån. Dessa nya partiklar kunde inte ha interagerat genom den starka eller elektromagnetiska interaktionen; dessa interaktioner har för högt tvärsnitt och skulle redan ha dykt upp. Men den svaga kärnkraftsinteraktionen är en möjlighet. Ursprungligen stod” W ” i WIMP för den svaga interaktionen på grund av en spektakulär tillfällighet (visas i supersymmetri) känd som WIMP miracle.

om du lägger in den mörka materiens densitet som universum kräver idag kan du dra slutsatsen hur många mörka materiepartiklar du behöver av en given massa för att kompensera den. Massskalan av intresse för supersymmetri — eller någon teori som uppträder på elektrosvag Skala-ligger i ballparken 100 GeV till 1 TeV, så vi kan dem beräkna vad självförstöringstvärsnittet måste vara för att få rätt överflöd av mörk materia.

det värdet (av tvärsnitt multiplicerat med hastighet) visar sig vara runt 3 10-26 cm3/s, vilket är rätt i linje med vad du kan förvänta dig om sådana partiklar interagerade genom elektrosvag kraft.

varje grundläggande interaktion som spänner över de starka, svaga och elektromagnetiska krafterna, inklusive i hög energi och låg temperatur/kondenserade förhållanden. Om det finns en ny partikel som kopplar till den svaga interaktionen, kommer de att interagera, på någon nivå, med de kända Standardmodellpartiklarna och har därför ett tvärsnitt med protonen och neutronen. de Carvalho, Vanuildo S. et al. Nucl.Phys. B875 (2013) 738-756

naturligtvis, om några nya partiklar interagerar genom elektrosvaga kraften, skulle de också koppla till Standardmodellpartiklarna. Om en ny partikel parar till exempelvis W eller Z boson (som bär den svaga kraften), så finns det en ändlig, icke-noll sannolikhet att dessa partiklar kommer att kollidera med någon partikel som en W eller Z boson parar till, som en kvark inom en proton eller neutron.

detta innebär att vi kan konstruera experiment med mörk materia som letar efter en kärnrekyl av kända, normala materiepartiklar. Rekyler utöver de som orsakas av normal materia skulle vara bevis för förekomsten av mörk materia. Visst finns det bakgrundshändelser: neutroner, neutriner, radioaktivt förfallna kärnor i omgivningen etc. Men om du känner till energi-och momentumkombinationerna av signalen du letar efter, och du utformar ditt experiment smart, kan du kvantifiera din bakgrund och extrahera eventuell mörk materia signal som kan vara där.

LUX-samarbetet, som effektivt utesluter det sista av 2000-era parameterutrymmet för WIMPs som interagerar genom att den svaga kraften är 100% av den mörka materien. Notera, i de lätt skuggade områdena i bakgrunden, hur teoretiker gör nya, ’reviderade’ förutsägelser vid lägre och lägre tvärsnitt. Det finns ingen bra fysisk motivation att göra detta. LUX samarbete, Phys. Rev. Lett. 118, 251302 (2017)

dessa experiment har nu pågått i årtionden och har inte sett någon mörk materia. De strängaste moderna begränsningarna kommer från LUX (ovan) och XENON 1t (nedan). Dessa resultat informerar oss om att interaktionstvärsnittet för protoner och neutroner är utomordentligt litet och skiljer sig åt för både snurrberoende och snurroberoende scenarier.

LUX fick oss ner till snurrberoende tvärsnittsgränser under 1,0 – 1,6 10-41 cm2 för protoner och neutroner och snurroberoende under 1,0 10-46 cm2: tillräckligt låg för att utesluta alla modeller av SUSY dark matter som föreslogs 2001. En känsligare begränsning kommer nu från XENON: den centrifugeringsberoende neutronbegränsningen är 6 10-42 cm2, medan de snurroberoende tvärsnitten är under 4,1 10-47 cm2, ytterligare åtdragning av skruvarna.

får nu sina strängaste gränser från XENON1T-experimentet, vilket har förbättrats över alla tidigare experiment, inklusive LUX. Medan teoretiker och fenomenologer utan tvekan kommer att fortsätta producera nya förutsägelser med mindre och mindre tvärsnitt, har tanken på ett WIMP-mirakel förlorat all rimlig motivation med de experimentella resultaten vi redan har i handen. E. Aprile et al., Phys. Rev. Lett. 121, 111302 (2018)

detta är en annan mätning än att ha mörka materiepartiklar självförintetgöra, men den mätningen berättar för oss något otroligt värdefullt. Modellerna av supersymmetri eller extra dimensioner som ger rätt mörk materia överflöd genom de svaga interaktionerna utesluts av dessa experiment. Om det finns WIMP mörk materia, måste den vara svagare än den svaga interaktionen tillåter att omfatta 100% av den mörka materien. Dessutom bör LHC inte detektera det.

teoretiker kan alltid tweak sina modeller, och har gjort så många gånger, trycka det förväntade tvärsnittet ner och ner som null resultat efter null resultat rullar in. Det är den värsta typen av vetenskap du kan göra, dock: att helt enkelt flytta målstolparna utan någon annan fysisk anledning än dina experimentella begränsningar har blivit svårare. Det finns inte längre någon motivation, annat än att föredra en slutsats att uppgifterna utesluter, genom att göra det.

signaturer som fysiker har sökt på LHC, från extra dimensioner till mörk materia till supersymmetriska partiklar till mikrosvarta hål. Trots alla data vi har samlat in från dessa högenergikollisioner har ingen av dessa scenarier visat bevis som stöder deras existens. CERN / ATLAS experiment

men att utföra dessa direkta detektionsexperiment är fortfarande otroligt värdefullt. Det finns andra sätt att producera mörk materia som går utöver det mest konventionella scenariot. Dessutom kräver dessa begränsningar inte en icke-WIMPy källa till mörk materia. Många andra intressanta scenarier behöver inte ett WIMP-mirakel.

under många årtionden har ”W” erkänts för att inte stå för den svaga interaktionen, utan att stå för en interaktion som inte är starkare än den svaga kraften tillåter. Om vi har nya, bortom standardmodellpartiklar, får vi också ha nya krafter och interaktioner. Experiment som XENON och LUX är vårt enda sätt att undersöka dem.

dessutom är mörkmaterialkandidater som produceras av en annan mekanism vid lägre massområden, som axioner eller sterila neutriner, eller genom gravitationsinteraktionen ensam vid högre massor, såsom WIMPzillas, mycket i spel.

vill utnyttja en hypotetisk interaktion för en icke-WIMP mörk materia kandidat: axion. Axioner, om de är den mörka materien, kan omvandlas till fotoner genom den elektromagnetiska interaktionen, och kaviteten som visas här är utformad för att testa för den möjligheten. Men om mörk materia inte har de specifika egenskaper som nuvarande experiment testar för, kommer ingen av detektorerna vi byggt någonsin att hitta den direkt. Axion Dark Matter Experiment (ADMX) / LLNLS flickr

vår jakt på mörk materia i labbet, genom direkta detekteringsinsatser, fortsätter att placera viktiga begränsningar för vilken fysik som kan vara närvarande utöver standardmodellen. För dem gift med mirakel, fastän, några positiva resultat verkar nu alltmer osannolikt. Den sökningen påminner nu om den berusade som letar efter sina förlorade nycklar under lyktstolpen. Han vet att de inte är där, men det är den enda platsen där ljuset gör det möjligt för honom att se skiner.

WIMP-miraklet kan vara dött och borta, eftersom partiklar som interagerar genom den svaga kraften vid elektrosvag skala har blivit missgynnade av både kolliderare och direkt upptäckt. Tanken med WIMP dark matter lever dock vidare. Vi måste bara komma ihåg, när du hör WIMP, inkluderar vi mörk materia som är svagare och wimpier än även de svaga interaktionerna tillåter. Det finns utan tvekan något nytt där ute i universum som väntar på att upptäckas.

WIMP-miraklet är över. Men vi kan fortfarande få det bästa miraklet av alla: om dessa experiment dyker upp något utöver ett nollresultat. Det enda sättet att veta är att titta.

Följ mig på Twitter. Kolla in min hemsida eller något av mitt andra arbete här.