Felvétel-érzékeny érzékenységi kísérletek A LUX és a PandaX még nem tartalmazott sötét részecskéket • Igor Ivanov • Tudományos hírek az "elemekről" • Asztrofizika, fizika

Felvétel-érzékeny érzékenységi kísérletek A LUX és a PandaX még nem tartalmazott sötét részecskéket

Ábra. 1. A LUX érzékelő munkakapacitása, amelyet folyadék xenonnal töltünk meg. A luxdarkmatter.org oldalról

A legutóbbi konferencián A sötét anyag azonosítása azonnal két nagy kísérleti csoport, a LUX és a PandaX bemutatta új adatait a sötét részecskék közvetlen kereséséről. A felvételi érzékenység ellenére az elhanyagolható részecskéket soha nem regisztrálták. A szétszóródási keresztmetszet tetején lévő korlátok négyszeresebben javultak az előző rekordhoz képest, míg az együttműködések maguk is új megfigyelési ülésekre készülnek.

Sötét részecskék keresése: gyors hivatkozás
Rövid bevezetésLásd a cikket Hogyan keressük a sötét anyagokat (Népszerű Mechanika, No. 3, 2016).
És hogyan keresi őt?Megpróbálják elkapni a földalatti detektorok gyenge fényforrásait, mintha a semmiből származnának.
És még egy kicsit?Lásd a hírek első felét, a LUX kísérlet még nem észlelte a sötét anyag részecskéit.
És mit találtál?Még nem; azonban a DAMA / Libra azt állítja, hogy jelet lát, de a túlnyomó többség úgy véli, hogy ez valami más hatás.
Hogyan fejeződik ki az eredmény?A keresztmetszet felülről történő korlátozása a sötét anyag részecskék tömegének különböző értékeire történő szórásához.
Honnan származik ez az ív?Lásd.feladat A sötét részecskék detektora.
Az anyag komolyabbV.A. Ryabov, V.A. Tsarev, A. M. Tskhovrebov, 2008. Sötét részecskék keresése.
Legfrissebb hírek
2015: A legnagyobb WIMP keresési kísérlet ("N + 1") detektora készült.
2014: Az új CoGeNT kísérleti adatok még mindig jelzik a sötét anyag részecskék regisztrálását.
2013: A LUX kísérlet még nem észlelte a sötét anyag részecskéit.
2011: új bizonyíték a sötét anyag létezésére? ("Trinity opció").
2009: Sötét anyag sötét anyaggal ("Trinity verzió").
2008: A DAMA kísérlet még mindig "lát" sötét részecskéket.
Milyen más ötleteket
2015: Új ötlet a sötét anyag könnyű részecskéinek megkeresésére.
2015: A sötét anyag nyomai azt javasolták, hogy fekete ereket keresnek az ergoszférában ("N + 1").
2015: Az ISS-ben lévő detektor az antitestek ("N + 1") anomális feleslegét látta.
2015: "Régóta keresnek, de nem találják …" ("A Trinity Opció").
2014: Az ismeretlen sugárzási vonalat és a hírekre vonatkozó ellenvetést a galaxis klaszterek spektrumában találták meg: az új eredmények nem erősítik meg a titokzatos röntgensugár-emissziót.
2014: Új hatás várható, fontos a kísérletek sötétanyag-részecskék felkutatásához.
2014: Hogyan keressünk sötét anyagot.
2013: Az AMS-02 kísérlet első eredményei érdekesek, de nem hoztak érzéseket.
2013: A CROWS kísérlet a hipotetikus ultrakönnyű részecskék megtalálásához negatív eredményt hozott.
2008: A sötét anyag észleléséhez meg kell figyelni a galaxis közepét.

Sötét részecskék keresése: általános szempont

A sötét anyag részecskéinek keresése az alapvető fizika egyik kritikus feladata, amely a modern tudomány két területe – a mikrovilág és a kozmológia fizikája – összecsaptak. Csillagászati ​​megfigyelések szerint a világegyetemben – csillagok, bolygók és gázporfelhők mellett – sok sötét anyag van – olyan anyag, amelyet nem látunk közvetlenül az elektromágneses spektrum bármely tartományában, hanem a galaxisok és klaszterük "klaszterei". Ez az ügy egy olyan újfajta részecskékből állhat, amelyeknek nincs helye az általános részecskék standard modelljében. De milyen részecskék, milyen tömegek, amikből az új fizika elméletéből származnak, még ismeretlen. Csak azt tudjuk, hogy ezeknek a részecskéknek nagy része van az űrben, és hogy a naprendszer, a galaxison át tartó repülés során, "sötét szél" fejét érzi, amely áthalad többek között a Földön.A sötét anyag részecskék megakadályozására irányuló kísérlet legalább néhány esemény észlelésére irányul ezeknek a részecskéknek a földalatti detektorok atomjain való szórására.

A sötét anyag részecskék észlelésének kilátásai két paramétertől függenek: tömegüket és keresztmetszetüket a közönséges atomok atomjaira való szórásukhoz. Mindkét paraméter ismeretlen számunkra, és nagyon széles határok között fekszik. Az a tény, hogy a fizikusok még nem kapták meg a sötét anyag részecskéit, csak a különbözõ tömegek szórási keresztmetszetének legmagasabb határértékét hozhatja létre, de nem tudja teljes mértékben kiküszöbölni értékük bármely tartományát.

Elvileg valamilyen segítség származhat az elméletből. A teoretikusok már kidolgozták az Új Fizika százmillió modelleit, amelyekben megtalálható a részecskék és a sötét anyagokra vonatkozó jelöltek helye. A legelterjedtebb az úgynevezett wimps, hipotetikus gyengén kölcsönható nehéz részecskék, amelyek tömege több száz GeV vagy TeV. Mivel azonban az elméletek egyike sem kapott világos kísérleti megerősítést, ezek előrejelzései még mindig átmenetiek.

Ennek eredményeképpen a teoretikusok és a kísérletezők közötti évtized egyfajta "elrejtésre és keresésre" került.A teoretikusok új modelleket javasolnak az új fizikának, amelyben az előrejelzések szerint az érzékelők hamar felfedezik a sötét anyagokat. A kísérletezők egy másik hősi erőfeszítést tesznek, néha növelik érzékelőik érzékenységét – és semmit sem találnak. A teoretikusok, figyelembe véve ezeket az adatokat és a colliderektől érkező eredményeket, olyan továbbfejlesztett modelleket mutattak be, amelyekben az érzékelők érzékenységi határában ismét előrejelezhető a sötét részecskék lehetősége. A kísérletezők újabb áttörést tesznek – de nem találnak semmit.

Ábra. 2. Összegzés 2012-től, a kísérleti eredmények a sötét anyag részecskék felkutatására legfeljebb 1 teV tömegben és a szuperszimmetrikus modellek előrejelzései alapján. Színes vonalak – a negatív eredménnyel végzett kísérletekben kapott keresztmetszet legfelső határértékei; fényes foltok – a pozitív eredménnyel végzett kísérletek által jelzett paraméterek területe; fényes foltok A diagram alján elméleti előrejelzések vannak. A pdg.lbl.gov kép (PDF, 250 KB)

Az utóbbi évtizedben azonban lelkesedés volt ezen a területen.Az érzékelők érzékenysége megközelítette a paramétertáblán lévő régiót, amelyet számos elméleti konstrukció jelzett, beleértve a szuperszimmetrikus modellek különböző verzióit is – és ezek mindig a teoretikusok körében nagy becsben vannak. Ez egy több száz GeV tömegű régió, és a szétszórt keresztmetszetek 1 zeptobarna sorrendben (1 bb = 10−45 lát2ábra). 2. Az ilyen tömegek új részecskéit csak a Nagy Hadron-összeütköző elindítása előestéjén várják, és a boldog véletlen egyben az érzékelők a legérzékenyebbek erre a tartományra. Ezért a fizikusok abban reménykedtek, hogy a kísérleti technológiák egy újabb kísérlete végül lehetővé teszi az elragadtatott elhanyagolható részecskék elérését.

Az elmúlt három évben

Annak érdekében, hogy növelje a sötét anyag részecskék befogásának esélyeit, nagyobb érzékelőt kell bevinnie, olyan körülmények között kell elhelyeznie, ahol nincsenek idegen jelek, és üljenek és várjanak sokáig. Ezért a sötét anyagérzékelők két kulcsfontosságú jellemzője a teljes expozíció (azaz az érzékeny anyag idővel megszorzott tömege, általában kg-ban napokban mérve) és a hamis pozitívumok várható szintje (a kozmikus sugárzás árnyékolására, ultraradiocerális anyagok felhasználására és megbízható háttér- és riasztási események).Ha egy évtizeddel ezelőtt a tipikus tömegek kilogrammok voltak, és a háttérfolyamatok aránya viszonylag nagy maradt, az érzékelők több száz kilogramm érzékeny anyaggal dolgoznak, és a hamis pozitívumok száma évente nem haladja meg a néhányat, sőt néha nullára esik.

A közelmúltban "népszerű hírek" megjelentek a népszerű tudományos hírekben (lásd a rövid információkat). A legfrissebb frissítések közül a legjelentősebb volt a LUX kísérlet első eredményeiről szóló jelentés, a legérzékenyebb sötét anyagérzékelők, amelyek tömege tonnáig terjedt (A LUX kísérlet még nem észlelte a sötét részecskéket, Elements, 31.10.2013.). Ez a telepítés 2013 közepén indult el, és az első munkamenet során a nettó megfigyelési idő 85 nap volt. A munkadarab tömege a központi, a legmegbízhatóbb az érzékelő területének elemzéséhez (fiducial volume) 118 kg volt, ami teljes expozíciót adott ki 10 ezer kg napnak. Október végén, az adatok feldolgozását követően a fizikusok adták az eredményt: a sötét anyag részecskék még mindig nem láthatók, és az interakciós keresztmetszet új felső határa az előző rekordtulajdonoshoz képest, a XENON100 kísérlet, két vagy több alkalommal javult.

Ábra. 3. A spin-független keresztmetszet legmagasabb határértéke a sötét anyag részecskéinek szórása céljából, 2 és 1000 GeV közötti tömegben egy nukleonon. görbe LUX 2014 – a LUX kezdeti eredménye 2013 első ülésén; fekete merész vonal – Ugyanazon adatok frissített elemzésének eredménye; zöld és sárga csíkok – olyan területek, ahol a szimuláció alapján várhatóan ez a görbe elhaladt volna. Egyéb színsorok – Más kísérletek eredményei a sötét részecskék felkutatására. Ábra: D.S. Akerib és munkatársai, 2016. A 2013-tól a LUX adatok újrahasznosításának korlátai

Érdekes módon, bár a LUX ezen adatokkal való közzététele 2014 elején jelent meg, az együttműködés tagjai továbbra is optimalizálják az adatfeldolgozási módszertant és a háttérfolyamatok értékelését. Azóta megtanulják még jobban kalibrálni az érzékelőt (különösen egy trícium béta-bomlást alkalmazó új technikát használva, lásd: DS Akerib és munkatársai, 2016. Trícium esemény rekonstrukciós algoritmusa, tapasztalatokat szereztek a munkamennyiség falán lévő folyamatok által okozott háttéresemények megértésében. Mindez lehetővé tette számukra, hogy javítsák az érzékelő érzékenységét mintegy 20% -kal a sötét anyag súlyos részecskéi, és időnként a 10 GeV alatt lévő tömegterületen (3.Az érzékenység alsó határa 4 GeV alatt van, amely eredetileg nem volt xenon detektorra. A 2013-as adatok végleges elemzésével és 14 ezer kilogramm napi expozícióval foglalkozó cikket közelmúltban, ez év áprilisában tették közzé (DS Akerib és társai, 2016. A 2013. évi LUX-adatok újragondolásának javított határai) .

Új eredmények

Műszaki szempontból a LUX első eredményei a telepítési és adatelemzési algoritmusok kiváló teljesítményét mutatták, ezért maradt mindaz, ami türelmes volt és továbbra is adatokat gyűjt. Az új LUX-egyeztetés 2014. szeptember 11-én kezdődött, és ez év május 3-án ér véget. Ennek az időszaknak a nettó megfigyelési ideje 332 nap volt, mivel időről-időre a megfigyeléseket rendszeres detektor kalibrációs munkamenetekkel osztották fel. A megbízható érzékelő területét kisebb mennyiségben választottuk ki, amely körülbelül 100 kg tömegű volt, és a teljes megfigyelési időszakban a teljes expozíció 33,5 ezer kg nap volt. Ez azonban háromszor az első ülés expozíciója.

Ezzel párhuzamosan a sötét részecskék egyéb érzékelői továbbra is épültek, fejlődtek, és fokozatosan megjelentek a LUX árnyékából. Tehát a kínai detektor PandaX,a folyékony xenont érzékeny anyagként is használta, az első szerény munkamenetet 2014-ben tartotta, és egy felső korlátot határozott meg, ami akkora nagyságrendű volt, mint a LUX eredményei. Azonban tavaly a fizikusok jelentősen megnövelték a telepítési mennyiséget, jelentősen csökkentették a hátteret, és 2016 márciusától 2016-ig újabb adatcsomagot hajtottak végre (PandaX-II, 9. futtatás). A munkadarab nagyobb tömege miatt, mint a LUX (teljes tömege fél tonnás, megbízható 300 kg), a PandaX-II teljes expozíciója ilyen rövid ideig LUX-értéknek felel meg és 33,2 ezer kg-os napnak felel meg.

A Sheffieldben (Egyesült Királyság) július 18-tól július 22-ig tartott, a Sötét Anyag azonosítási konferenciáján mindkét csapat bemutatta a legfrissebb munkamenetekből származó előzetes adatokat. Mindkét detektor több száz (PandaX) és több ezer (LUX) jelölt eseményt regisztrált, de mindegyikük vagy jellemzője volt a radioizotóp bomlására jellemző vagy az érzékelő határainak közelében. A PandaX események közül csak egy telt el az összes kiválasztási kritérium, és ez a megengedett határon volt. A LUX esetében a háttérszűrés után nem volt egyetlen esemény sem a jelzési területen. Így a sötét anyag részecskék nem találhatók ezen rekordfüggetlen érzékenységi kísérletek egyikében sem.

Ábra. 4. Új korlátok a fentiektől a spin-független keresztmetszetnél a PandaX-II (PandaX-II) első megfigyelésia bal oldalon) és egy teljes kétéves LUX-munkamenet (a jobb oldalon). Képek a bemutatott előadásokról

Mindkét kísérlet negatív eredménye lehetővé tette számunkra, hogy még szigorúbb felső határértékeket alakítsunk ki a keresztszekcióban a sötét részecskék atomon történő szórására (4. Az itt bemutatott görbék azt a feltételezésnek felelnek meg, hogy a szóródási keresztmetszet nem függ a centrifugálástól; a jövőben mindkét együttmûködés megígéri, hogy korlátozza a spinfüggõ szakaszokat. A PandaX-II kísérlet megduplázta az előző LUX eredményt (4. Ábra, balra), de a LUX együttműködés azonnal megszakította ezt a teljesítményt (4. A legsúlyosabb határértéket a 40-50 GeV-es nagyságrendű tömegekre határoztuk meg, és a PandaX-II és 0,22 zb a LUX esetében 0,27 mg volt. 200-300 GeV tömegű nehezebb részecskéknél mindkét kísérlet lezárta az 1 3b feletti keresztmetszetet. Ha most újra megnézed a képet. 2, látható a PandaX és LUX beállítások mélyen betörtek a szuperszimmetrikus elméletek előrejelzésének területére és kíméletlenül szorosan lezárta a várható paramétertér jelentős darabjait.

Tervek az elkövetkező évekre

Ami a jövőre vonatkozó terveket illeti, még mindig van egy széles fejlesztési terület. Először is, a PandaX-II továbbra is összegyűjti az adatokat, és többször növeli az expozíciót. Másodszor, ez év márciusában az új kísérlet XENON1T, egy xenon detektor is, amely egy tonna mennyiségű, megbízható detektoros térfogatú anyagot tartalmazott, adatokat gyűjtött. Ilyen skála szerint a fizikusok még nagyobb nagyságrenddel csökkennek a szakaszok méretarányára, egészen 0,02 zb-ig, és néhány év múlva elérik a 0,002 zb-ot. Végül, bár a LUX kísérlet befejezte munkáját, az együttműködés már tervezi a létesítmény jelentős modernizálását (D. S. Akerib et al., 2016. LUX-ZEPLIN (LZ) koncepcionális tervezési jelentés). Az új LZ detektor 10 tonna folyékony xenont (5 tonna – megbízható detektor térfogatban) tartalmaz, és 2020-ban üzembe helyezéskor a legérzékenyebb egység lesz a sötét anyag súlyos részecskéinek keresésére.

Ábra. 5. Elért és tervezett (2013-tól kezdődően) a keresztmetszet felső határértékei a sötét anyag részecskék közönséges anyaggal való diszpergálásához. D. Bauer és munkatársai, 2013. WIMP Dark Matter Direct Detection

Ábrán. Az 5. ábra összegzi a GeV és a TeV tömeges tartományában elért és várható felső határértékeket. Látható, hogy az expozíció további növelésével a jelenlegi korlátozásokat 2-3 nagyságrenddel meg lehet erősíteni – ez csak technika kérdése.Azonban egy komolyabb akadály – a különböző eredetű (nap-, atmoszférikus, kozmikus) atomok atomjainak szétszóródása – a megnövekedett érzékenység felé tart. Ennek a szóródásnak a regisztrálása természetesen önmagában is érdekes, de a sötét anyag részecskék felkutatásának problémájaként ez lesz a háttér. A megkülönböztetés a várt jeltől nehéz és még nem megoldott feladat. Most még mindig nem nagyon releváns, de ha a sötét anyag részecskéi még mindig nem láthatók a következő évtizedben, akkor ez a technikai feladat teljes mértékben növekedni fog.

forrás:
1) Aaron Manalaysay (a LUX Együttműködéshez), a Dark-matter 332 új LUX-adatból álló élő nap eredménye // jelentés a konferencia sötét anyagának azonosításáról (18-22. Július, Sheffield, Egyesült Királyság), PDF, 14 MB.
2) Xiangdong Ji (a PandaX Collaboration esetében), első DM keresési eredménye a PandaX-II 500kg LXe detektorból // ibid, PDF, 2.6 MB.

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: :???: :?: :!: