Osakeste tumeaine otsingud on viinud meid otsima WIMP-sid, mis võivad aatomituumadega taastuda. LZ-koostöö tagab kõigi WIMP-tuumade ristlõigete jaoks parimad piirid, kuid kõige paremini motiveeritud stsenaariumid nõrga jõu juhitud osakeste saamiseks elektrihuvi skaalal või läheduses moodustavad 100% tumedast ainest on juba välistatud. . (LUX-ZEPLIN (LZ) KOOSTÖÖ / SLAC RIIKLIKKE KIIRENDITE LABORAAT)

'WIMP ime' lootus tumeda asja jaoks on surnud

Kuid me ei tohiks loobuda otsest tuvastamisest. Siin on miks.

Tume aine ei ole mitte ainult kõige rikkalikum mateeria vorm universumis, vaid ka kõige salapärasem. Kui kõik teised meile teadaolevad osakesed - aatomid, neutriinod, footonid, antimaterjal ja kõik muud standardses mudelis olevad osakesed - interakteeruvad vähemalt ühe teadaoleva kvantjõu kaudu, näib, et tumeaine interakteerub ainult gravitatsiooni kaudu.

Paljude sõnul oleks parem nimetada seda nähtamatuks, mitte tumedaks aineks. See mitte ainult ei eralda ega neela valgust, vaid ei interakteeru ühegi tuntud, otseselt elektromagnetilise, tugeva või nõrga tuumajõu kaudu tuvastatava osakesega. Kõige nõutum tumeaine kandidaat on WIMP: nõrgalt interakteeruv massiivne osake. Suur lootus oli WIMP-i ime, supersümmeetria suur ennustus.

On 2019 ja see lootus on nüüd kriipsutatud. Otsesed tuvastuskatsed on põhjalikult välistanud WIMP-d, mida lootsime.

Mis tahes kahe osakese kokkupõrkel proovite proovida osakeste sisemist struktuuri. Kui üks neist ei ole fundamentaalne, vaid on pigem kompositsiooniosa, võivad need katsed paljastada selle sisemise struktuuri. Siin kavandatakse eksperiment tumeda aine / tuuma hajumissignaali mõõtmiseks. Siiski on palju ilmseid, taustteavet, mis võiksid anda sarnase tulemuse. See konkreetne signaal kuvatakse germaaniumi, vedel XENON ja vedel ARGON detektorites. (TUME MATERJALI ÜLEVAADE: KOLLIDERIGA, OTSENE JA KAUDSE Tuvastamise otsingud - QUEIROZ, FARINALDO S. ARXIV: 1605.08788)

Universum peab astrofüüsikalises plaanis olema midagi enamat kui lihtsalt tavaline asi, millest me teame. Normaalne aine kvalifitseerub sel juhul mis tahes tuntud mudelis standardmudelis. See hõlmab kõike, mis on valmistatud kvarkadest, leptonitest või teadaolevatest bosonidest, ning eksootilisi objekte, nagu neutronitähed, mustad augud ja antimaterjal. Kogu universumi normaalset ainet on kvantifitseeritud mitmesuguste meetodite abil ja see moodustab ainult umbes kuuendiku sellest, mis peab üldiselt olemas olema, et selgitada gravitatsioonilisi interaktsioone, mida näeme kosmiliste skaalade näol.

Suur probleem on muidugi see, et kõik meie tõendid tumeda aine kohta on kaudsed. Me võime selle mõju jälgida kosmose astrofüüsikalises laboris, kuid me pole seda kunagi otse Maa peal asuvas laboris tuvastanud. See pole nii, pange tähele, proovimise puudumise pärast.

XENON-paigaldistega LNGS-i saal B, detektor paigaldatud suure veekilbi sisse. Kui tumeda aine ja normaalse aine vahel on ristlõige, mis ei ole null, on mitte ainult sellisel eksperimendil võimalus tumedat ainet otse tuvastada, vaid on ka võimalus, et tume aine lõpuks interakteerub teie inimkehaga. (INFN)

Kui soovite tumedat ainet otse tuvastada, pole see nii lihtne kui standardmudeli teadaolevate osakeste tuvastamine. Kõigi kvarkidest, leptonitest või teadaolevatest bosonidest valmistatud asjade jaoks saame kvantifitseerida, milliste jõududega nad omavahel suhelda saavad ja kui suurel määral. Me võime kasutada füüsika kohta teadaolevaid teadmisi ja eriti teadaolevate osakeste vahel esinevaid teadaolevaid jõude ja vastasmõjusid, et prognoosida selliseid suurusi nagu ristlõiked, lagunemiskiirused ja korrutised, hajuvusamplituudid ja muud omadused, mida võime katseliselt mõõta osakeste füüsika.

2019. aasta seisuga oleme tohutu edu saavutanud neil rindel, mis on kinnitanud standardmudelit viisil, millest nii teoreetikud kui ka eksperimenteerijad võisid unistada vaid pool sajandit tagasi. Kokkupõrke detektorid ja isoleeritud maa-alused rajatised on teed edasi viinud.

Standardmudeli osakesed ja antiosakesed on nüüd kõik otse tuvastatud, viimase pidurdamisega Higgsi boson langes LHC-s selle kümnendi alguses. Kõiki neid osakesi saab luua LHC energiate juures ja osakeste massid annavad põhikonstandid, mis on nende täielikuks kirjeldamiseks hädavajalikud. Neid osakesi saab standardmudeli aluseks olevate kvantväljavälja teooriate füüsika abil hästi kirjeldada, kuid nad ei kirjelda kõike, nagu tumeaine. (E. SIEGEL / GALAXIA JÄRGI)

Standardmudeli järgi ennustatakse tervet osa osakeste spektrit - nii põhilisi kui ka liitmaterjale. Nende koosmõjusid tugevate tuuma-, elektromagnetiliste ja nõrkade tuumajõudude kaudu saab arvutada kvantvälja teoorias välja töötatud tehnikate abil, mis võimaldab meil neid osakesi luua ja tuvastada mitmel viisil.

Iga üksik kvark ja antiikpark on nüüd toodetud otse kiirendis, kusjuures ülemine kvark, viimane pidurdus, langes 1995. aastal.

Kõiki leptoneid ja antileptone on detektorid näinud, kusjuures tau neutrino (ja selle antimaterjalide vaste, tau antineutrino) on leptoni sektori lõpetanud 2000. aastate alguses-keskpaigas.

Ja kõik standardmudelite bosonid on samuti loodud ja tuvastatud, koos Higgsi bosoniga - viimaseks mõistatuseks, mis ilmub lõplikult LHC-s 2012. aastal.

Higgsi bosoni esimesest robustsest, 5-sigma tuvastamisest kuulutati mõni aasta tagasi nii CMSi kui ka ATLASi koostöös. Kuid Higgsi boson ei tekita andmetes mitte ühte

Me mõistame, kuidas standardmudeli osakesed käituvad. Meil on kindlad ennustused selle kohta, kuidas nad peaksid kõigi põhijõudude kaudu toimima, ja nende teooriate eksperimentaalne kinnitus. Samuti on meil erakorralised piirangud, mis võimaldavad neil suhelda tavapärasest mudelis kaugemal. Kiirenditest, kosmilistest kiirtest, lagunemiskatsetest, tuumareaktoritest ja muust tulenevatest piirangutest tulenevalt oleme suutnud välistada paljud teoreetilised ideed.

Kui aga rääkida tumedast ainest, siis on meil vaid astrofüüsikalisi tähelepanekuid ja meie teoreetilist tööd, mis koos juhivad. Võimalike teooriate hulka, mille oleme välja mõelnud, on tohutul hulgal tumeda aine kandidaate, kuid mitte ühtegi neist, mis oleks kogunud eksperimentaalset tuge.

Universumis olevad jõud ja kas nad suudavad siduda tumeda ainega või mitte. Gravitatsioon on kindlus; kõik teised kas ei ole või on suhtlemistasemel väga piiratud. (PERIMETERI INSTITUUT)

Kõige nõutum tumeaine kandidaat on WIMP: nõrgalt interakteeruv massiivne osake. Esimestel päevadel - st 1970. aastatel - saadi aru, et mõned osakeste füüsika teooriad, mis ennustasid uusi mudeleid peale standardmudeli, võivad lõpuks luua uut tüüpi püsivaid, neutraalseid osakesi, kui oleks mõni uus paarsusetüüp (teatud tüüp sümmeetria), mis takistas neil lagunemist.

See hõlmab nüüd ideid nagu supersümmeetria, lisamõõtmed või väike Higgsi stsenaarium. Kõigil neil stsenaariumidel on sama lugu:

  • Kui Universum oli varakult kuum ja tihe, loodi kõiki loodavaid osakesi (ja antiosakesi) suures arvukuses, sealhulgas ka kõiki muid, peale standardmudeli osakesi.
  • Kui Universum jahtus, lagunesid need osakesed järk-järgult kergemaks ja stabiilsemaks.
  • Ja kui kõige kergem oleks stabiilne (uue pariteetsümmeetria tõttu) ja elektriliselt neutraalne, püsiks see tänaseni.

Kui hindate nende uute osakeste massi ja ristlõiget, saate nende ennustatud arvukuse ennustatud tiheduse tänapäeval.

Tumeda aine (y-telje) õige kosmoloogilise arvukuse saamiseks peate, et tumeainel oleks õige interaktsiooni ristlõige normaalse ainega (vasakul) ja õiged enese hävitamise omadused (paremal). Otsesed tuvastuskatsed välistavad nüüd need väärtused, mida tingib Planck (roheline), eelistades nõrga jõuga interakteeruvat WIMP tumeainet. (PS BHUPAL DEV, ANUPAM MAZUMDAR ja SALEH QUTUB, FRONT.IN PHYS. 2 (2014) 26)

Siit sai alguse WIMP tumeaine idee. Need uued osakesed ei saanud omavahel suhelda tugeva ega elektromagnetilise vastasmõju kaudu; nende interaktsioonide ristlõige on liiga kõrge ja need oleksid juba ilmunud. Kuid nõrk tuuma interaktsioon on võimalus. Algselt tähistas WIMP-s olev W nõrga koostoimimise eest WIMP-i imena tuntud suurejoonelise kokkusattumuse (ilmnev supersümmeetria) tõttu.

Kui lisada tumeaine tihedus, mida universum tänapäeval nõuab, saate sellest järeldada, kui palju tumeda aine osakesi teil antud massist vaja on. Supersümmeetriat huvitav massskaala - või mis tahes teooria, mis ilmub elektrivälja skaalal - on kuuli pargis 100 GeV kuni 1 TeV, nii et saaksime nad välja arvutada, milline peab olema enese hävitamise ristlõige, et saada õige arvukus tumedast ainest.

See väärtus (ristlõike korrutatuna kiirusega) osutub umbes 3 × 10 ^ –26 cm³ / s, mis on täpselt kooskõlas sellega, mida võiksite oodata, kui sellised osakesed integreeruvad elektrilöögijõu kaudu.

Tänapäeval kasutatakse Feynmani diagramme kõigi tugevate, nõrkade ja elektromagnetiliste jõudude ulatusliku interaktsiooni arvutamiseks, sealhulgas suure energiatarbega ja madala temperatuuriga / kondenseerunud tingimustes. Kui on mõni uus osake, mis seostub nõrga interaktsiooniga, interakteeruvad nad mingil tasemel teadaolevate standardmudelite osakestega ja on seetõttu ristlõikega prootoni ja neutroniga. (DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL. NUCL.PHYS. B875 (2013) 738–756)

Muidugi, kui mingid uued osakesed integreeruvad elektrilöögijõu kaudu, liituvad nad ka standardmudeli osakestega. Kui uus osake haakub näiteks W- või Z-bosoniga (mis kannab nõrka jõudu), on tõenäoline, et need osakesed põrkuvad osakestega, millega W- või Z-boson paarub, nagu näiteks piiratud, nullist erinev kvark prootoni või neutroni sees.

See tähendab, et saame konstrueerida tumeaine katseid teadaolevate, normaalse aine osakeste tuuma tagasilöögiks. Pöördujad, mis on normaalsest ainest põhjustatud, on tumeda aine olemasolu tõestuseks. Muidugi, on olemas sündmusi taustal: neutronid, neutriinod, ümbritsevas aines radioaktiivselt lagunevad tuumad jne. Kuid kui teate otsitava signaali energia ja impulsi kombinatsioone ning kavandate eksperimendi nutikalt, saate oma kvantifitseerida taust ja eemaldage võimalik potentsiaalne tumeaine signaal.

LUX-i koostöö prootonite ja neutronite ristlõikega, mis välistas tegelikult viimase 2000-ajastu parameetriruumi WIMP-de jaoks, kes interakteeruvad läbi nõrga jõu moodustades 100% tumedast ainest. Pange tähele, kuidas taustal kergelt varjutatud aladel teevad teoreetikud uusi, muudetud ennustusi madalamal ja alumisel ristlõikes. Selleks pole head füüsilist motivatsiooni. (LUXI KOOSTÖÖ, PHYS. REV. LETT. 118, 251302 (2017))

Need katsed on kestnud juba aastakümneid ega ole näinud tumedat ainet. Kõige rangemad tänapäevased piirangud pärinevad LUX-ist (ülal) ja XENON 1T (allpool). Need tulemused annavad meile teada, et prootonite ja neutronite interaktsiooni ristlõige on erakordselt väike ja erinevad nii spinnist sõltuvate kui ka spinnist sõltumatute stsenaariumide korral.

LUX viis meid spinni sõltuvatest ristlõikepiirangutest alla 1,0–1,6 × 10 ^ −41 cm² prootonite ja neutronite jaoks ning spinnist sõltumatute ristlõike piiridesse alla 1,0 × 10 ^ −46 cm²: piisavalt madalad, et välistada kõik SUSY mudelid 2001. aastaks välja pakutud tumeaine. Tundlikum kitsendus pärineb nüüd XENONist: spinnist sõltuv neutronipiirang on 6 × 10–42 cm², samal ajal kui spinnist sõltumatud ristlõiked on alla 4,1 × 10–47 cm², pingutades kruvisid veelgi .

Spinnist sõltumatu WIMP / nukleoni ristlõige saab nüüd oma kõige rangemad piirid XENON1T eksperimendist, mis on kõigi varasemate katsete, sealhulgas LUXi abil paranenud. Ehkki teoreetikud ja fenomenoloogid jätkavad kahtlemata uute ennustuste koostamist väiksemate ja väiksemate ristlõigetega, on WIMP ime idee kaotanud igasuguse mõistliku motivatsiooni juba saadud eksperimentaalsete tulemustega. (E. APRILLIS ET AL., PHYS. REV. LETT. 121, 111302 (2018))

See on teistsugune mõõtmine kui tumeda aine osakeste hävitamine, kuid see annab meile midagi uskumatult väärtuslikku. Need eksperimendid välistavad supersümmeetria või lisamõõtmete mudelid, mis nõrkade interaktsioonide kaudu annavad õige tumeaine arvukuse. Kui on WIMP tumeaine, peab see olema nõrgem, kui nõrk interaktsioon võimaldab moodustada 100% tumedast ainest. Lisaks ei tohiks LHC seda tuvastada.

Teoreetikud saavad oma mudeleid alati näpistada ja on seda teinud mitu korda, lükates eeldatavat ristlõiget nulltulemina pärast nulltulemuste rullimist allapoole ja allapoole. See on aga halvim teadus, mida saate teha: lihtsalt nihutage väravaposte muud füüsilised põhjused kui teie katsepiirangud on muutunud raskemaks. Enam pole mingit motivatsiooni, kui eeldada järeldust, et andmed välistavad, seda tehes.

LHC-s olid füüsikud otsinud tohutul hulgal potentsiaalseid uusi füüsika allkirju, alates lisamõõtmetest kuni tumeda aine kuni supersümmeetriliste osakeste ja mikromustade aukudeni. Hoolimata kõigist nendest suure energiatarbega kokkupõrgetest kogutud andmetest, pole ükski neist stsenaariumidest tõestanud nende olemasolu toetavaid tõendeid (CERN / ATLAS EKSPERIMENT)

Kuid nende otsese tuvastuse katsete tegemine on endiselt uskumatult väärtuslik. Tumeda aine saamiseks on ka teisi viise, mis väljuvad kõige tavapärasemast stsenaariumist. Lisaks ei vaja need piirangud tumeda aine mitte-WIMPy-allikat. Paljud muud huvitavad stsenaariumid ei vaja WIMP imet.

Mitu aastakümmet on tunnustatud, et “W” ei seisa nõrga vastasmõju eest, vaid seisab vastasmõju eest, mis pole tugevam, kui nõrk jõud seda võimaldab. Kui meil on uusi, standardmudelist kaugemale ulatuvaid osakesi, lubatakse meil ka uusi jõude ja koostoimeid. Need katsed nagu XENON ja LUX on meie ainus viis nende proovile panemiseks.

Lisaks mängivad väga olulist rolli tumeda aine kandidaadid, mida toodetakse erineva mehhanismi abil madalamates massvahemikes, näiteks aksioonid või steriilsed neutriinod, või ainult suuremate masside korral, näiteks WIMPzillas toimuva gravitatsioonilise interaktsiooni kaudu, näiteks WIMPzillas.

Ühe eksperimendi krüogeenne seadistamine, mille eesmärk on kasutada hüpoteetilist interaktsiooni mitte-WIMP-i tumeaine kandidaadi jaoks: aksioon. Aksioonid, kui need on tumeained, võivad elektromagnetilise interaktsiooni kaudu muunduda footoniteks ja siin näidatud süvend on loodud selle võimaluse katsetamiseks. Kui tumeainetel pole aga spetsiifilisi omadusi, mida praegused katsed katsetavad, ei leia ükski meie ehitatud detektoritest seda otseselt. (AXION TUMA MATERJALI EKSPERIMENT (ADMX) / LLNL-i FLICKR)

Meie jahi pimeaine uurimine laboris otsese avastamise kaudu on endiselt oluliste piirangutega sellele, mida füüsika võib tavamudelist kaugemal esineda. Imede jaoks pulmades näivad positiivsed tulemused nüüd aga üha ebatõenäolisemad. See otsing meenutab nüüd purjuspäi, kes otsis oma kadunud võtmeid laternaposti alt. Ta teab, et neid pole seal, kuid see on ainus koht, kus paistab teda vaatama võimaldav tuli.

WIMP-i ime võib olla surnud ja kadunud, kuna nõrga jõu kaudu elektriheki skaalal interakteeruvad osakesed on nii põrkeseadjate kui ka otsese tuvastamise tõttu soositud. WIMP tumeaine idee elab siiski edasi. Peame lihtsalt meeles pidama, kui kuulete WIMP-i, siis hõlmame tumedat ainet, mis on nõrgem ja wimpier, kui isegi nõrk koostoime seda võimaldab. Universumis on kahtlemata midagi uut, mis ootab avastamist.

WIMPi ime on läbi. Kuid ikkagi võib juhtuda, et kõige parem ime on: kui need katsed annavad midagi nulltulemust suuremat. Ainus viis teada saada on otsida.

Starts With A Bang on nüüd Forbesil ja tänu meie Patreoni toetajatele uuesti keskkonnas avaldatud. Ethan on kirjutanud kaks raamatut "Beyond The Galaxy" ja "Treknology: The Star of Treki teadus Tricordersist Warp Drive'i".