Стремежът към тъмната материя на частиците ни накара да търсим WIMPs, които могат да се оттеглят с атомни ядра. Сътрудничеството на LZ ще осигури най-добрите ограничения за WIMP-нуклеоновите напречни сечения от всички, но най-добрите мотивирани сценарии за наличието на частица, задвижвана със слаба сила при или близо до мащаба на електрослабата, вече са изключени , (LUX-ZEPLIN (LZ) СЪТРУДНИЧЕСТВО НА НАЦИОНАЛНИЯ АКСЕЛЕРАТОР / SLAC

Надеждата за „тъмната материя“ на WIMP е мъртва

Но не бива да се отказваме от директното откриване. Ето защо.

Тъмната материя е не само най-разпространената форма на материята във Вселената, но и най-загадъчната. Докато всички останали частици, за които знаем - атоми, неутрино, фотони, антиматерия и всички останали частици в Стандартния модел - взаимодействат чрез поне една от известните квантови сили, изглежда, че тъмната материя взаимодейства само чрез гравитацията.

Според мнозина би било по-добре да го наречем невидима материя, а не тъмна материя. Той не само не излъчва и не поглъща светлина, но и не взаимодейства с никоя от известните, директно разпознаваеми частици чрез електромагнитните, силни или слаби ядрени сили. Най-търсеният кандидат за тъмна материя е WIMP: Слабо взаимодействащата масивна частица. Голямата надежда беше за WIMP чудо, страхотно предсказване на суперсиметрията.

2019 година е и тази надежда вече е осеяна. Експериментите с директно откриване напълно изключиха WIMP, на които се надявахме.

Когато сблъскате всякакви две частици заедно, вие изследвате вътрешната структура на сблъсъците. Ако един от тях не е основен, а е по-скоро съставна частица, тези експерименти могат да разкрият неговата вътрешна структура. Тук е създаден експеримент за измерване на сигнала за разсейване на тъмна материя / нуклон. Има обаче много светски, основни приноси, които биха могли да дадат подобен резултат. Този конкретен сигнал ще се появи в германий, течен XENON и течен ARGON детектори. (ПРЕГЛЕД НА МЪЧКА МАТЕРА: ТЪРСЕНЕ НА КОЛИДЪР, ПРЯМО И ИНДРЕКТНО ОТКРИВАНЕ - QUEIROZ, FARINALDO S. ARXIV: 1605.08788)

Вселената, от астрофизична гледна точка, трябва да бъде направена от нещо повече от нормалната материя, за която знаем. Нормалната материя в този случай се квалифицира като всяка от известните частици в Стандартния модел. Тя включва всичко, направено от кваркове, лептони или известните бозони и включва екзотични предмети като неутронни звезди, черни дупки и антиматерия. Цялата нормална материя във Вселената е количествено определена чрез различни методи и тя възлиза само на около шеста от това, което трябва да присъства като цяло, за да обясни гравитационните взаимодействия, които виждаме на космически мащаби.

Големият проблем, разбира се, е, че всички наши доказателства за тъмна материя са косвени. Можем да наблюдаваме неговите ефекти в астрофизичната лаборатория на Космоса, но никога не сме го открили директно в лаборатория тук на Земята. Това не е, имайте предвид, за липса на опит.

Зала Б на ВПГ с инсталации XENON, с детектора, инсталиран вътре в големия воден щит. Ако има някакво ненулево сечение между тъмна материя и нормална материя, не само експеримент като този ще има шанс за директно откриване на тъмна материя, но има вероятност тъмната материя в крайна сметка да взаимодейства с вашето човешко тяло. (INFN)

Ако искате директно да откриете тъмна материя, това не е толкова просто, колкото откриването на известните частици от Стандартния модел. За всичко, направено от кварки, лептони или известни бозони, можем да премерим чрез какви сили взаимодействат и с каква величина. Можем да използваме това, което знаем за физиката, и по-специално за известните сили и взаимодействия между известните частици, за да прогнозираме количества като напречни сечения, скорости на разпадане и продукти, амплитуди на разсейване и други свойства, които сме способни да измерваме в експериментални физика на частиците.

От 2019 г. срещнахме огромен успех на онези фронтове, които потвърдиха Стандартния модел по начин, за който и теоретиците, и експериментаторите можеха да мечтаят само преди половин век. Детекторите на коли и изолираните подземни съоръжения водят пътя напред.

Частиците и античастиците на Стандартния модел вече са директно открити, като последното задържане, Хигс бозон, пада на LHC в началото на това десетилетие. Всички тези частици могат да бъдат създадени при LHC енергии и масите на частиците водят до фундаментални константи, които са абсолютно необходими за пълното им описание. Тези частици могат да бъдат добре описани от физиката на теориите на квантовото поле, които са в основата на Стандартния модел, но те не описват всичко, като тъмна материя. (Е. СИГЕЛ / СЛЕД ГАЛАКСИЯТА)

Съществува цял спектър от частици - и фундаментални, и съставни, предвидени от Стандартния модел. Техните взаимодействия чрез силните ядрени, електромагнитни и слаби ядрени сили могат да бъдат изчислени чрез техники, разработени в квантовата теория на полето, което ни позволява да създаваме и откриваме тези частици по различни начини.

Всеки един кварк и антикварк вече се произвежда директно в ускорител, като горният кварк, последният задържан, пада през 1995 година.

Всеки лептон и антилептън са били наблюдавани от детектори, като тау неутрино (и неговият антиматериален колега, тау антинейтрино) са завършили сектора на лептоните в началото на средата на 2000-те.

И всеки един от бозоните на Стандартния модел е създаден и открит също, като бозонът на Хигс, последното парче на пъзела, окончателно се появи на LHC през 2012 година.

Първото здраво, 5-сигмово откриване на бозона на Хигс беше обявено преди няколко години както от CMS, така и от ATLAS. Но бозонът на Хигс не прави единичен „шип“ в данните, а по-скоро разпръскване, поради присъщата му несигурност в масата. Стойността на неговата маса при 125 GeV / c² е озадачаваща за физиците, но не толкова поразителна, колкото пъзелът с тъмна материя. (СЪТРУДНИЧЕСТВО CMS, „НАБЛЮДЕНИЕ НА ДИФТОНСКИЯТ ДЕЙНОСТ НА БОГОНАТА НА HIGGS И ИЗМЕРВАНЕ НА НЕЙНИТЕ СВОЙСТВА“, (2014))

Разбрахме как се държат частиците от Стандартния модел. Имаме солидни прогнози за това как те трябва да си взаимодействат чрез всички основни сили и експериментално потвърждение на тези теории. Имаме и изключителни ограничения за това, как им е позволено да си взаимодействат по начин извън стандартния модел. Поради ограниченията ни от ускорители, космически лъчи, експерименти с гниене, ядрени реактори и други, успяхме да изключим много възможни идеи, които бяха теоретизирани.

Когато става въпрос за онова, което може да състави тъмната материя, всичко, което имаме, са астрофизичните наблюдения и нашата теоретична работа в тандем, за да ни ръководи. Възможните теории, които сме измислили, включват огромен брой кандидати за тъмна материя, но никоя не е получила експериментална подкрепа.

Силите във Вселената и дали те могат да се свържат с тъмна материя или не. Гравитацията е сигурност; всички останали или не са, или са силно ограничени по отношение на нивото на взаимодействие. (ИНСТИТУТ ЗА ПЕРИМЕТЪР)

Най-търсеният кандидат за тъмна материя е WIMP: Слабо взаимодействащата масивна частица. В ранните дни, т.е. през 70-те години на миналия век, се разбра, че някои теории на физиката на частиците, които предсказват нови частици извън стандартния модел, могат в крайна сметка да произведат нови видове стабилни, неутрални частици, ако има някакъв нов тип паритет (тип симетрия), които им пречеха да се разпадат.

Това вече включва идеи като суперсиметрия, допълнителни измерения или малкия сценарий на Хигс. Всички тези сценарии имат една и съща история:

  • Когато Вселената беше гореща и плътна в началото, всички частици (и античастици), които могат да бъдат създадени, бяха създадени в голямо изобилие, включително всякакви допълнителни, извън стандартните модели.
  • Когато Вселената се охлади, тези частици се разпадат в прогресивно по-леки и стабилни.
  • И ако най-лекият беше стабилен (поради новата симетрия на паритета) и електрически неутрален, той би се запазил и до днес.

Ако прецените каква е масата и напречното сечение на тези нови частици, можете да получите прогнозна плътност за прогнозираното им изобилие днес.

За да получите правилното космологично изобилие от тъмна материя (ос y), трябва тъмната материя да има правилните напречни сечения на взаимодействие с нормална материя (вляво) и правилните свойства на самоунищожение (вдясно). Експериментите с директно откриване сега изключват тези стойности, наложени от Планк (зелен), който опозорява тъмната материя, взаимодействаща със слаба сила (P.S. BHUPAL DEV, ANUPAM MAZUMDAR, & SALEH QUTUB, FRONT.IN PHYS. 2 (2014) 26)

От тук идва идеята за тъмната материя WIMP. Тези нови частици не биха могли да взаимодействат чрез силното или електромагнитното взаимодействие; тези взаимодействия имат твърде високо напречно сечение и вече биха се показали. Но слабото ядрено взаимодействие е възможност. Първоначално "W" в WIMP представляваше слабото взаимодействие поради зрелищно съвпадение (появяващо се в свръхсиметрия), известно като WIMP чудо.

Ако поставите плътността на тъмната материя, която Вселената изисква днес, можете да заключите колко частици тъмна материя се нуждаете от дадена маса, за да я направите. Масовият мащаб на интерес за свръхсиметрия - или каквато и да е теория, появяваща се в скалата на електрослабата - е в топката от 100 GeV до 1 TeV, така че можем да ги изчислим какво трябва да бъде напречното сечение на самоунищожение, за да се получи правилното изобилие от тъмна материя.

Тази стойност (на напречно сечение, умножена по скорост) се оказва около 3 × 10 ^ –26 cm³ / s, което е точно в съответствие с това, което бихте очаквали, ако такива частици взаимодействат чрез силата на електроотслабване.

Днес диаграмите на Фейнман се използват за изчисляване на всяко основно взаимодействие, обхващащо силните, слабите и електромагнитните сили, включително във високоенергийни и нискотемпературни / кондензирани условия. Ако има нова частица, която се свързва със слабото взаимодействие, те ще взаимодействат на някакво ниво с известните частици от Стандартния модел и следователно имат напречно сечение с протона и неутрона. (DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL. NUCL.PHYS. B875 (2013) 738–756)

Разбира се, ако някакви нови частици взаимодействат чрез силата на електроотслабване, те ще се свържат и с частиците от Стандартния модел. Ако нова частица се сдвои например към W или Z бозона (които носят слабата сила), тогава има ограничена, ненулева вероятност тези частици да се сблъскат с всяка частица, към която W или Z бозон се свързва, като кварк в рамките на протон или неутрон.

Това означава, че можем да конструираме експерименти с тъмна материя, търсейки ядрено отдръпване на известни, нормални частици от материята. Отстъпки извън тези, причинени от нормалната материя, биха били доказателство за съществуването на тъмна материя. Разбира се, има фонови събития: неутрони, неутрино, радиоактивно разпадащи се ядра в заобикалящата материя и др. Но ако знаете комбинациите от енергия и инерция на сигнала, който търсите, и проектирате умело експеримента си, можете да прецените вашите експерименти фон и извлечете всеки потенциален сигнал от тъмна материя, който може да е там.

Ограниченията на напречното сечение на протона и неутрона от LUX колаборацията, които ефективно изключиха последното от 2000-ера пространство за параметри за взаимодействие на WIMP чрез слабата сила, която е 100% от тъмната материя. Обърнете внимание, в леко засенчените области на заден план, как теоретиците правят нови, „преработени“ прогнози в по-ниски и долни напречни сечения. Няма добра физическа мотивация за това. (LUX COLLABORATION, PHYS. REV. LETT. 118, 251302 (2017))

Тези експерименти продължават от десетилетия и не виждат тъмна материя. Най-строгите съвременни ограничения идват от LUX (отгоре) и XENON 1T (отдолу). Тези резултати ни информират, че напречното сечение на взаимодействието на протони и неутрони е изключително мъничко и е различно както за спин-зависимия, така и за спиновия независим сценарий.

LUX ни сведе до граници, зависими от спина на напречно сечение под 1,0–1,6 × 10 ^ −41 cm² за протони и неутрони и независими от спин под 1,0 × 10 ^ −46 cm²: достатъчно ниска, за да изключи всички модели на SUSY тъмна материя, предложена до 2001 г. По-чувствителното ограничение сега идва от XENON: спин-зависимото неутронно ограничение е 6 × 10–42 см², докато независимите от спина напречни сечения са под 4.1 × 10−47 см², допълнително затягайки винтовете ,

Независимото от спин WIMP / нуклеонно сечение сега получава най-строгите си граници от експеримента XENON1T, който се подобри при всички предишни експерименти, включително LUX. Докато теоретиците и феноменолозите без съмнение ще продължат да създават нови прогнози с по-малки и по-малки напречни сечения, идеята за WIMP чудо загуби всяка разумна мотивация с експерименталните резултати, които вече имаме в ръка. (E. APRILE ET AL., PHYS. REV. LETT. 121, 111302 (2018))

Това е различно измерване от това, че частиците от тъмна материя се самоунищожават, но това измерване ни казва нещо невероятно ценно. Моделите на суперсиметрия или допълнителни измерения, които дават правилното изобилие на тъмната материя чрез слабите взаимодействия, се изключват от тези експерименти. Ако има тъмна материя WIMP, тя трябва да е по-слаба, отколкото слабото взаимодействие позволява да се състои от 100% от тъмната материя. Освен това, LHC не трябва да го създава видимо.

Теоретиците винаги могат да ощипват своите модели и са правили толкова много пъти, като натискат очакваното напречно сечение надолу и надолу като нулев резултат, след като се появи нулев резултат. Това е най-лошият вид наука, който можете да направите, обаче: просто да изместите целите на целите за не физическа причина, различна от вашите експериментални ограничения, стана по-тежка. Вече няма никаква мотивация, освен да предпочетете заключението, че данните изключват при това.

Имаше огромно разнообразие от потенциални нови физически подписи, които физиците търсят в LHC, от допълнителни измерения до тъмна материя до свръхсиметрични частици до микро черни дупки. Въпреки всички данни, които събрахме от тези високоенергийни сблъсъци, нито един от тези сценарии не е показал доказателства в подкрепа на тяхното съществуване (CERN / ATLAS EXPERIMENT)

Но извършването на тези експерименти с директно откриване все още е изключително ценно. Има и други начини за получаване на тъмна материя, които надхвърлят най-конвенционалния сценарий. Освен това тези ограничения не изискват източник на тъмна материя, който не е WIMPy. Много други интересни сценарии не се нуждаят от WIMP чудо.

В продължение на много десетилетия "W" се признава, че не е за слабото взаимодействие, а за отстояване на взаимодействие, не по-силно от разрешеното от слабата сила. Ако имаме нови частици извън стандартния модел, ни е позволено да имаме и нови сили и взаимодействия. Експерименти като XENON и LUX са единственият ни начин да ги проучим.

Освен това кандидатите от тъмна материя, които се получават от различен механизъм при по-ниски диапазони на масата, като аксии или стерилни неутрино, или само чрез гравитационното взаимодействие при по-високи маси, като WIMPzillas, играят много.

Криогенната настройка на един от експериментите, които искат да използват хипотетично взаимодействие за не-WIMP кандидат за тъмна материя: аксионът. Аксионите, ако са тъмната материя, могат да се превърнат във фотони чрез електромагнитното взаимодействие и кухината, показана тук, е проектирана да тества за тази възможност. Ако обаче тъмната материя няма специфичните свойства, за които тестват настоящите експерименти, нито един от изградените от нас детектори никога няма да я намери директно. (ЕКСПЕРИМЕНТ ЗА МЪРТИ АКСИОНИ (ADMX) / FLICKR на LLNL)

Нашият лов на тъмна материя в лабораторията, чрез директни усилия за откриване, продължава да поставя важни ограничения върху това, което физиката може да присъства извън стандартния модел. За тези, които се радват на чудеса, обаче, положителните резултати сега изглеждат все по-малко вероятни. Това търсене напомня на пияния, който търси изгубените си ключове под лампата. Той знае, че те не са там, но това е единственото място, където светлината позволява на него да изглежда.

Чудото на WIMP може да е умряло и изчезнало, тъй като частиците, взаимодействащи чрез слабата сила в електромащабната скала, са били обезсърчени от двете коли и директното откриване. Идеята за тъмната материя на WIMP обаче живее. Просто трябва да помним, когато чуете WIMP, ние включваме тъмна материя, която е по-слаба и по-слаба, отколкото дори слабите взаимодействия ще позволят. Във Вселената несъмнено има нещо ново, което чака да бъде открито.

Чудото на WIMP приключи. Но все пак може да се получи най-доброто чудо от всички: ако тези експерименти се окажат нещо, което не надхвърля нулев резултат. Единственият начин да знаете е да изглеждате.

Starts With A Bang вече е на Forbes и е публикуван отново на Medium благодарение на нашите привърженици на Patreon. Итън е автор на две книги, „Отвъд галактиката“ и „Трекнология: Наука за звездното пътуване от трикрилите до Warp Drive“.