A LUX kísérlet még nem mutat be sötét anyagrészecskéket • Igor Ivanov • Tudományos hírek a "Elemekről" • Fizika

A LUX kísérlet még nem észlelte a sötét anyag részecskéit

Ábra. 1. Az új rendszer általános terve, hogy megkeresse a sötét anyag LUX részecskéit. A központi tartály 370 kg folyékony xenont tartalmaz, ami érzékeny anyagként jelenik meg ezekkel a keresésekkel. A lux.brown.edu nevű kép

Október 30-án bejelentették a LUX első eredményeit, egy új kísérletet a sötét részecskék felkutatására. A három hónapos munka során felhalmozott statisztikák nem adnak megbízható jeleket a sötét részecskékről. A LUX által korlátozottan korlátozott korlátok javítják az eddig kapott adatokat.

Közvetlen keresés a sötét részecskékre

Az asztrofizikai adatok azt mutatják, hogy az Univerzumban a csillagok, a bolygók, a gáz és a por mellett sok sötét anyag van, amely csak gyengén kölcsönhatásban van a "könnyű" anyaggal. Kitölti a galaxisokat és a galaktikus klasztereket, és olyan részecskékből áll, amelyeknek nincs helye a standard modellben. Ezeknek a részecskéknek sem a masszák, sem más tulajdonságai megbízhatóan nem ismertek, bár sok elmélet létezik ebben a témában. Jó lenne, ha ezeket a részecskéket kinyitnák a Nagy Hadron-ütközőben, de minden kísérlet eddig negatív eredményt adott.

Ebben a helyzetben a fizikusok csak kísérleteket végezhetnek a sötét anyag részecskéinek a megkeresésében. Ezek a keresések közvetlenek és közvetettek.A közvetett keresések olyan szokatlan tulajdonságokat próbálnak regisztrálni a nagy energiájú fotonok vagy kozmikus sugarak spektrumából, amelyek a mély térből jönnek hozzánk. Néhány érdekes eredmény ellenére még nincsenek megerősített felfedezések, és ebben a hírben nem fogunk foglalkozni a közvetett keresésekkel. Sötétség is hatalmas mennyiségben repül a Földön. Ha a részecskék valahogy kölcsönhatásba léphetnek a közönséges anyagokkal, akkor ilyen ütközéseknek esetenként előfordulhatnak a föld oszlopában. A sötét részecskék közvetlen keresése csak kísérlet, hogy legalább egy ilyen ütközést regisztráljon a laboratóriumban, egy speciális földalatti detektoron belül.

Ábra. 2. A sötét anyag részecskéi, amelyek az érzékelőn áthatolnak, időnként összeütköznek a munkadarab magvával és átviszik az energiájuk egy részét. Az érzékeny érzékelők felismerhetik akár az energiafelszabadulást, akár az atomok ionizációját és a fény villanását, amelyhez vezet. Ábra a sötét részecskék detektora feladatából

Az ötlet egyszerű. Ha a sötét anyag részecske összeütközésbe kerül az érzékelő anyagának atomjával az atomba, és rugalmasan visszahúzódik belőle, akkor némi lendületet és energiát ad.2). Az érzékelő szempontjából minden úgy néz ki, mintha valaki láthatatlanul lenyomná a magot. Ez az érzékelő kis energiájának felszabadulását eredményezi, az atomok ionizációjához és egy bizonyos energiafehérje lumineszcenciájához, fotonok formájában. Mindezek a megnyilvánulások megpróbálják regisztrálni a tartályba beépített érzékelőket a munkaanyaggal.

Ellentétben a collider kísérletekkel rendelkező érzékelőkkel, amelyeknél eseményeket rögzítenek több ezer alkalommal másodpercenként, a sötét anyagérzékelők szinte teljes egészében "csendben vannak", és csak alkalmanként működnek. És ez egyáltalán nem, mert kevés a sötét anyag részecskéje – néhányan néhány másodpercenként repülnek a Föld felszínének minden négyzetcentiméterén. Csak a Föld a sötét anyagok részecskéi számára szinte átlátszó. Ezért a sötét anyag részecskéinek az érzékelő anyagával való ütközését nagyon ritkán kell előfordulnia, és a tipikus kísérlet, hogy megtalálják őket, hónapokig és évekig türelmesen ül, és közben megpróbálja elhárítani az érzékelő összes idegen zaját és hamis pozitívumát.

A sötét anyag részecske-detektorok három legfontosabb paramétere, amelyek javíthatók, a térfogat, a sugárzás tisztasága és az érzékenység.A mennyiség minden világos: minél több benne anyag, annál nagyobb a detektor is, és ezért a több sötét anyag részecskék repülnek rajta egy évre, valamint azokat a nagyszámú atom van egy véletlen találkozás. Ha az első kísérleteket végeztünk kilogramm súlyt, a legújabb detektorok tartalmaz több száz kiló, egy anyag, és néhány éven belül indul kísérletek ton skála.

Azonban, ahogy a hangerő nő, a háttéresemények száma nő, azaz esetekben kiváltó érzékelő fakadó „a föld”, és az okok semmi köze a span a sötét anyag részecskék. Először is, a működés az érzékelő befolyásolhatja kozmikus részecskék, de lehet megszabadulni a háttérben, ha telepíti a detektor mélyen a föld alatt. Ez sokkal nehezebb, hogy megszüntesse a bomlási radioaktív izotópok, amelyek nyomokban belül a detektor. Ez minimalizálja az egyetlen ultra-magas tisztítását anyagok instabil izotópok. Amikor ezt a sugárzást tisztának kell lennie nem csak a dolgozó a detektor test, de az összes felhasznált anyag a szigetelő falak és a rögzítő berendezés (lásd.néhány részlet a hírekben A DAMA kísérlet még mindig "lát" sötét anyag részecskéket, Elements, 2008.04.21.).

Végül a sötét részecskék érzékelői szintén nagy érzékenységet és megbízhatóságot igényelnek a jel és a háttér szétválasztása szempontjából. Ez azt jelenti, hogy az érzékelőknek képesnek kell lenniük arra, hogy egy nagyon kis energiafelszabadítást rögzítsenek valahol a munkahely belsejében (vagyis a válaszküszöbnek alacsonynak kell lennie), és képesnek kell lennie pontosan mérni a jellemzőit, például az ionizációt vagy a gyenge fényforrást. Mindez segít továbbá a háttér szétválasztásától a jeltől, és több esemény felvételekor növeli a jelek értelmezésének megbízhatóságát, mint a sötét anyag megnyilvánulását.

Elméleti elvárások

A két fő jellemző, amelyet a fizikusok a sötét részecskék regisztrálásával akarnak tudni, azok tömege és keresztmetszete a közönséges anyagok kölcsönhatásának. Mindkét érték segít megérteni, hogy honnan származik, amelyből a normál modellen kívüli elméletet ezek a részecskék veszik. Sajnos eddig nincsenek kísérleti jelzések arra a területre, amelyben ezek a tömegek hazudnak. Lehet ultra-könnyű részecskék, még világosabb is, mint egy neutrínó, lehetnek mérsékelten könnyű részecskék, könnyebbek, mint egy elektron,ezek lehetnek súlyos részecskék, amelyek tízes és több száz GeV tömegből állnak, és még olyan szuperkönnyűek is, amelyek teljesen hozzáférhetetlenek a modern kísérletekhez. Ugyanilyen bizonytalan az interakciós keresztmetszet becslése; csak az ismeretes, hogy kicsi, de mennyire kicsi ez nem világos.

Az úgynevezett WIMP-k (gyengén kölcsönható hatalmas részecskék) a leginkább érdekesek. Az úgynevezett hipotetikus stabil semleges részecskék tömeggel rendelkeznek több száz GeV régióban, amelyek enyhén érzékelik a gyenge kölcsönhatást vagy kapcsolódó jelenségeket, és kölcsönhatásba lépnek egy körülbelül 10−40÷10−48 lát2. Az Új Fizika számos modern elmélete megjósolja az ilyen részecskék létezését. Különösen sok népszerű szuperszimmetrikus modellnek van jelöltje a sötét anyagnak a 10-es sorrendű szórási keresztmetszetekkel−44÷10−47 lát2. Természetesen ez nem egy megerősített konkrét előrejelzés, hanem elkerülhető is, de a szuperszimmetrikus modellek nem fognak teljesen természetesnek lenni. Különben is, körülbelül 10 értéket−45 lát2 (vagy 1 zeptobarn) fontos határ, amelyen túl a sötét anyagkeresés eredményei ugyanolyan fontosak lesznek a szuperszimmetrikus elméletekhez képest, mint a szétroncsolóknak ezeknek a részecskéknek a közvetlen szüléséhez.

A keresések rövid története

A helyzet 2000-ben jelent meg, amikor a DAMA kísérlet, amely az olasz földalatti laboratóriumban, a Gran Sasso-ban található, évek óta feldolgozott adatok után statisztikailag jelentős időszakos változást mutatott az események számában. Idővel a statisztikák felhalmozódtak, a jel nem tűnt el, de egyre inkább elkülönült. Az együttműködés ragaszkodik ahhoz, hogy nem tulajdonítható semmilyen elszámolatlan hibának, ezért ez a moduláció a sötét részecskék nyilvántartásba vételének első jele. A 2008-as helyzet a hírekben szerepel, a DAMA kísérlet még mindig "sötét" részecskéket, Elemeket lát, 2008. április 21-én, és azóta nem változott alapvetően (2013-ra a jel statisztikai jelentősége már meghaladta a 9σ értéket).

Ábra. 3. Jelenlegi kísérletek a sötét részecskék keresésére. A közvetlen WIMP-keresések jelentése: frissítés (PDF, 47 MB) a SUSY 2013 konferencián

Az elmúlt évek során a sötét anyag részecske-keresésekre vonatkozó egyéb kísérletek pozitív eredményt is jelentettek: ez a CoGeNT 2010-ben, a CRESST 2011-ben és végül a CDMS hat hónappal ezelőtt. A részecskék tömegének és a kölcsönhatás keresztmetszeteinek ezek a területei, amelyekre ezek a pozitív eredmények jelezték, a 3. ábrán látható. 4 és 5.

Ábra. 4. A kísérletek eredményeinek összefoglalása a részecskék tömegspektruma és a kölcsönhatás keresztmetszetei során a sötét anyag részecskék felkutatásáról. Színes foltok több kísérlet pozitív eredményeit mutatja. vonalak a negatív eredményekkel végzett kísérletek által meghatározott felső határokat jelöli; a fenti vonalak feletti terület zártnak minősül. Egy adott vonal fölött elhelyezkedő helyszín, valamint nem metsző színes foltok azt jelzik, hogy ezeknek a kísérleteknek az eredményei nem egyeznek egymással. A www.preposterousuniverse.com oldalról

A látszólag pozitív jel ellenére a tudományos közösség ezeket a potenciálisan szenzációs eredményeket meglehetősen hűvösnek találta. Ennek több oka is van. Először is, ezek közül egyik sem "vasbeton". Mindenesetre a pozitív eredmény egyáltalán nem feltűnő, hanem az adatok alapos elemzésének, a háttér szűrésének és a különböző hibák kiküszöbölésének eredménye. Sajnos az elemi részecskefizika tapasztalatai azt mutatják, hogy a tudósok minden erőfeszítése ellenére néhány háttérforrás vagy rendszeres hibák néha észrevétlenek maradnak.Másodszor, nagyszerű lenne, ha ezek az eredmények a tömegek és szakaszok bármely régiójára utalnának. Eddig azonban kiderült, hogy ezek a pozitív eredmények nem teljesen összeegyeztethetők egymással (lásd 4. és 5. ábra). Végül, ezeken a kísérleteken kívül keresnek sötét anyagrészecskéket is, amelyek negatív eredményeket hoztak. A legfontosabb "játékos" itt talán a XENON100 kísérlet, amely 100 kg folyékony ksenonnal dolgozik. Legutóbbi eredményeik egyszerűek: a sötét anyag részecskéi nem jelennek meg. Ezek az adatok lehetővé teszik a paraméterek jelentős területének bezárását az 1. ábrán. 5, beleértve az összes olyan értéket, amelyet a fent említett négy "pozitív" kísérlet utalt. Így a helyzet teljesen zavaros, és nem világos, hogy ezek közül mely eredményekre kell bízni.

Ábra. 5. Összefoglaló 2012-től, a kísérletek eredményei, hogy megkeressék a sötét anyag részecskék tömeges tartományban legfeljebb 1 TeV. A megnevezések megegyeznek a 6. ábrán. 4; színes foltok Az alábbi ábrák olyan közelítő régiókat mutatnak, amelyekben a szuperszimmetrikus modellek előrejelzik a sötét részecskéket. A pdg.lbl.gov kép (PDF, 250 KB)

Természetesen a teoretikusok számára, és ez nem akadály. Vannak modellek a sötét anyag, amelyben az interakció lényegében azon mag szerkezetétől függ, amellyel a részecskék ütköznek. Ezek a modellek lehetővé teszik, hogy legalább néhány eredményt kölcsönözzenek egymásnak, de az árat, amelyet meg kell fizetnie, valamilyen homályosság, sőt természetellenes a modellek. Az egyik vagy másik út a probléma megoldása, a szakemberek többségének kielégítése még nem létezik.

LUX érzékelő

Talán az egyetlen módja ennek a helyzetnek a megoldása a technológiák fejlesztése és a sötét anyag kísérleti keresésének további erősítése különböző módokon. A legelterjedtebb család itt olyan detektorok, amelyeknek a működő anyaga cseppfolyósított inert gázok, főként argon és xenon. A munkaközeg tömege több száz kilogrammot és még egy tonnát ér el; Az elkövetkező években ez az érték több tonna értékre emelkedik. Néhányan már kezdtek statisztikákat gyűjteni, néhányan csak 2014-ben keresnek. Ezért néhány év múlva egy egész "betakarítást" kell várnunk az új eredményekről a sötét részecskék felkutatásában.

Nagyon reménykednek ennek az érzékelőnek.Először is, egy vagy két nagyságrenddel javítják a XENON100 kísérlet korlátait, és ezzel tisztázzák a fent leírt zavaró helyzetet. Másodszor, ezeknek az érzékelőknek a nagy érzékenysége először lehetővé teszi a fizikusok számára, hogy 10-nél alacsonyabb szintre esnek le−45 lát2. Ez teljes lehetőséget biztosít számukra, hogy végül érezzék a sötét anyag részecskéit, amelyet a népszerű szupersimmetrikus modellek előre jeleznek (lásd 5. ábra). Amint a sötét anyag érzékelői erre a területre érkeznek, eredményeik ugyanolyan fontosak lesznek a szuperszimmetrikus elméletekhez képest, mint azoknak a próbálkozásoknak, amelyek közvetlenül szétterjednek ezeknek a részecskéknek az ütközőnél.

Az első jelek a LUX detektor eredményei, melyeket október 30-án jelentettek be. A kísérlet neve könnyen megfejthető: a nagy földalatti xenon, a "nagy underground xenon" kísérlet. Ez az érzékelő egy másfél kilométeres mélységben van az egykori Homestake aranybánya bányában, amely jelenleg az Amerikai Egyesült Államok dél-Dakotai államában található Sanford-i földalatti kutatóközpont része. A kísérlet munkarésze 370 kilogramm folyékony xenon tartály (lásd 1. ábra). A xenon könnyű használata nemcsak a kémiai inertitásához kötődik, hanem azzal is, hogy jól alakítja a magra "hatást" a fotonokra, valamint természetes sugárzás-tisztaságával.Az egyetlen instabil izotóp, a xenon-127, xenonban fordul elő, amikor a kozmikus sugárzás bombázza, de a 32 napos felezési időnek köszönhetően szintje eltűnik egy év múlva a föld alatt. Ezenkívül a xenon-detektorok múltbeli generációjának munkája során jelentős tapasztalatok halmozódtak fel, amelyek lehetővé teszik számunkra, hogy magabiztosan különítsünk el jel- és háttéreseményeket, és megbízhatóan kalibráljuk az érzékelőket.

Ábra. 6. A kétfázisú xenon sötét anyag detektor működésének elve. Az első fénysugár azonnal bekövetkezik, amikor egy sötét anyag részecske összeütközésbe kerül a xenon maggal a folyadékfázisban, a második pedig később, amikor a fennmaradó elektronok eléri a felületét, és belép a gázfázisba. A villogó fényerő aránya lehetővé teszi, hogy elválassza a jelet a háttérből. Kép: en.wikipedia.org

A LUX detektor a kétfázisú xenon detektorok tipikus képviselője (6. A benne lévő hengeres tartályt fel nem töltötte folyékony xenonnal, de csak részben, a xenon gázmentes a folyékony xenon szabad felett. Ha a sötét anyag részecskéje megdönti a magot az érzékelő belsejében, ionizációhoz vezet. Az ionizáló elektronok egy része azonnal fénysugarat generál (S1.Ábra), miközben egy elektromos mezőben valamilyen sodródás érte el a folyadék-gáz interfészt, kilép a gázfázisba, és ott egy második villanófényt generál (S2 esemény). Mindkét esemény jól mérhető egy fotomultiplikáló rendszer segítségével, amely lehetővé teszi számunkra, hogy meghatározzuk az eredeti hatás háromdimenziós koordinátáit, valamint különítsük el a jelet a háttérből. Az együttműködés célja a jel és a háttér kivételesen jó szétválasztása, ami legalább a nagyságrenddel javítja a XENON100 kísérlet aktuális eredményeit. Így a LUX egy ambiciózus feladattal néz szembe – kezdve igazán érezni azokat a sötét anyagrészecskéket, amelyeket a szuperszimmetrikus elméletek sok változata előre jelez.

Első eredmények LUX

Október 30-án egy speciális szemináriumon bemutatták a LUX kísérlet első eredményeit, amelyeket a telepítés első három hónapos időszakában nyertek 2013 áprilistól 2013 augusztusáig. A statisztikai gyűjtemény 2014-ben folytatódik és körülbelül egy évig tart. Közvetlenül a szeminárium után a kísérő cikk is megjelent az együttműködés honlapján.

Ha figyelembe vesszük az érzékelő által kiváltott összes példányt, akkor az ilyen események három hónap alatt csaknem 100 millióra halmozódtak fel, de szinte mindegyikük a háttérfolyamatok megnyilvánulása.A kiválasztási kritériumok alkalmazása után az érzékelő központi részében csak 160 regisztrált esemény maradt el ezekből a statisztikákból. A túlnyomó többségüknek meg kell felelnie a legutóbbi elkerülhetetlen háttérforrásnak az elektronokkal kapcsolatban. A LUX érzékelő képes elválasztani a valós eseményeket a háttérből, de csak statisztikailag. Ezért a legfontosabb kérdés az, hogy a kiválasztott események maradvány hátteret kaphatnak-e vagy sem?

Kiderül, hogy igen. Vannak olyan események, amelyek úgy tűnt, hogy nem a futófelületen vannak, de ha azt jelzőként értelmezik, akkor a statisztikai jelentősége nem haladja meg az 1 sigmát, ami semmiképpen sem jelez valami új felfedezést. Így az együttműködés első eredménye: három hónapos működés után nem nyert bizonyítékot a sötét részecskék kimutatására.

Ábra. 7. A LUX detektor által létrehozott interakciós keresztmetszet korlátozása három hónapos munkavégzés után a tömegtartományban 5 GeV-tól 5 TeV-ig (a bal oldalon) és 5-15 GeV (a jobb oldalon). A LUX eredményei jelentősen javítják a XENON100-ban elért korlátokat, és nem erősítik meg a korábban bejelentett pozitív jelek egyikét sem. Képek a vitafórumról

Ez a negatív eredmény felhasználható a sötét részecskék kölcsönhatásának keresztmetszetének felső határának megállapítására. Ezeket a korlátozásokat az 1. ábrán mutatjuk be. 7 széles tartományban 5 GeV-től 5 TeV-ig (balra) és egy keskeny régióban 5-től 15 GeV-ig (jobbra), ahol több kísérlet azt jelzi, hogy egy jel figyelhető meg. Mint látható, három hónapos munka után a LUX képes volt jelentősen javítani a XENON100 kísérlet összes eredményét, ami még mindig érzékeny volt. Kétszeres javulást érünk el nagy tömegekkel, és nagyobb nagyságrendűek, mint a 20 GeV-nél kisebb tömegek. Ez különösen azt jelenti Minden pozitív eredmény ellentmond a LUX-adatoknak..

Mi vár ránk a jövőben? A teljes éves statisztikák feldolgozása után a LUX Collaboration öt alkalommal is képes lesz ezeknek a korlátozásoknak a javítására. Ezzel párhuzamosan, egy-két év múlva, a sötét részecskék felkutatására irányuló más nagy léptékű kísérletek eredményei jelennek meg. Ha mindezek a keresések negatív eredményt adnak, a szuperszimmetrikus modellek és az új fizika korlátai általában még keményebbé válnak.

Azonban ugyanakkor a sötét anyagkeresés problémája még hevesebb lesz.Az a tény, hogy a sötétanyag-részecskék még nem láthatók közvetlen keresésekben (de az asztrofizikai megfigyelésekben láthatóak) Azt jelenti, hogy vagy teljesen más tömegük van, amelyeket nehéz kísérletileg ellenőrizni, vagy azok kölcsönhatási keresztmetszete olyan alacsony, hogy nem termelnek jelentős jeleket mutatnak az aktuális érzékelőkben, vagy hogy egy anyaggal való ütközésnek van néhány nagyon egzotikus jellemzője. A kísérletezőknek minden esetben fel kell gondolniuk, hogyan próbálják megbízhatóan kimutatni az ilyen részecskéket, és hogy a teoretikusok megpróbálják megérteni, hogy vannak-e közvetett módszerek a sötét anyag részecskék közvetlen regisztrálás nélküli tanulmányozására. Mindenesetre a következő évtizedben a helyzet csak forró lesz.

forrás:
1) D. McKinsey, R. Gaitskell, A LUX sötét anyag vizsgálati kísérlet első eredményei október 30-án Sanford laboratóriumában.
2) D.S. Akerib és munkatársai, "LUX Collaboration", a folyóiratban Fizikai felülvizsgálati levelek; Elérhető e-print arXiv: 1310.8214.

Lásd még:
1) Sanford földalatti laboratóriumának sajtóközleménye.
2) V.A. Ryabov, V.A. Tsarev, A. M. Tskhovrebov, Sötét részecskék keresése // UFN 178, 1129 (2008).
3) A DAMA kísérlet még mindig "lát" sötét anyagrészecskéket, Elements, 2008. április 21.
4) A sötét részecskék detektora, a "Elemek" problémája, amely megmagyarázza, hogy a jellegzetes "kigúnyolódás" a 3. ábrán bemutatott kísérleti eredményekből származik. 4 és 5.
5) L. Baudis, Közvetlen sötét anyagfelismerés: A következő évtized // A Sötét Univerzum fizikája 1, 94 (2012); Elérhető e-print arXiv: 1211.7222.
6) D.S. Akerib és munkatársai, The Large Underground Xenon (LUX) kísérlet // NIMR 704, 111 (2013); Elérhető e-print arXiv: 1211.3788.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: