В поисках Темной Материи

1. Эта статья из номера Сентябрь-октябрь 2018

Эта статья из номера

Сентябрь-октябрь 2018

Том 106, № 5

Материя, которая не производит и не поглощает свет - темную материю - повсюду во вселенной. В начале 1930-х годов астроном Фриц Цвики из Калифорнийского технологического института заметил гравитационные эффекты - неожиданные скорости галактик в скоплениях - которые нельзя объяснить количеством нормальной материи, веществ, составляющих планеты, звезды и нас. Цвикки предположил, что в этих скоплениях содержится большое количество темной материи, вызывающей необычные скорости. Идея не получила большого доверия в научном сообществе до 1970-х годов, когда астрономы начали замечать подобные эффекты в скоростях звезд на окраинах отдельных галактик.

Сегодня большинство ученых принимают гипотезу о том, что большинство - вероятно, около 85 процентов - вещества во вселенной - это темная материя. Тем не менее, мы ничего не знаем о составе темной материи, за исключением того, что это не то же самое, что и обычная материя. Он не излучает и не поглощает свет. Он взаимодействует с нормальной материей только через гравитацию и, возможно, другой, очень слабый тип взаимодействия. Следовательно, теоретики частиц выдвинули много гипотез, которые могли бы объяснить темную материю, и все они требуют существования новых, стабильных, электрически нейтральных частиц, помимо таковых в так называемой Стандартной модели физики частиц.

Взаимодействие в атомном масштабе, в котором участвует частица темной материи ( белая ), отскакивающая от ядра ( черный шар ) в кристаллической решетке, будет выделять тепло в виде колебаний решетки, или фононов ( синий ), и электрических зарядов ( красный ). Анализ полученных энергетических отложений может выявить существование и массу частиц темной материи.

Грег Стюарт / Национальная ускорительная лаборатория SLAC

Наиболее приемлемая модель темной материи опирается на то, что называется Слабо Взаимодействующими Массивными Частицами (WIMP), хотя другая перспектива моделирования включает частицы темной материи более низких масс, чем WIMP. Но независимо от их массы, если бы такие частицы темной материи были созданы в Большом Взрыве, они бы дали гравитационные семена, которые позволили сформировать галактики. Моделирование темной материи создает вселенную с скоплениями и сверхскоплениями галактик, которые очень похожи на то, что мы видим в наших собственных.

Сочетание астрономических данных и теоретических моделей для темной материи привело к тому, что физики элементарных частиц провели эксперименты, которые пытались непосредственно обнаружить частицы темной материи. Наиболее вероятный способ обнаружить WIMP состоит в том, чтобы исследовать, упруго ли он рассеивается - как бильярдный шар - когда он попадает в ядро ​​атома. Таким образом, если бы можно было измерить энергию одиночного ядра отдачи в детекторе без вмешательства каких-либо других фоновых частиц, которые могли бы вызвать такую ​​отдачу, можно было бы потребовать доказательства обнаружения частицы темной материи.

На практике обнаружить темную материю очень сложно. Например, многие источники фоновых частиц, такие как радиоактивный распад нормального вещества и взаимодействия космических лучей внутри или около детекторов, могут имитировать ядро, отдающееся от удара частицей темной материи. Таким образом, эксперименты прямого обнаружения должны быть расположены в глубоких подземных лабораториях, чтобы избежать космических лучей; эксперименты должны быть защищены от побочных продуктов радиоактивного распада; и следователи должны уметь отличать ядерные отдачи от гораздо более распространенных электронных отдач, создаваемых фоновыми взаимодействиями. Ученые начали создавать необходимые объекты в 1990-х годах.

Криогенный поиск темной материи (CDMS), над которым я работаю, был одной из первых серий экспериментов, решивших эти задачи. В нем используются сверхчистые детекторы из германия и кремния, охлаждаемые до температур, близких к абсолютному нулю, для обнаружения тепла, или фононов, и ионизационного заряда, выделяющегося при одночастичных взаимодействиях в кристаллах, которые примерно соответствуют размеру и форме хоккейных шайб. Взаимодействие с ядром не производит столько ионизации, сколько взаимодействие той же энергии с атомными электронами. Это обеспечивает экспериментальную технику для различения сигнатур WIMP, в отличие от фоновых частиц, поражающих детекторы. Первоначальный эксперимент проводился на мелком участке в кампусе Стэнфордского университета и проводился в период между 1996 и 2002 годами, но в конечном итоге он был ограничен интерференцией фона космических лучей.

Эксперимент второго поколения, CDMS-II, начался в 2002 году в подземной лаборатории в Судане, расположенной на заброшенном железном руднике в северной части штата Миннесота. На глубине 713 метров под землей глубина отфильтровывала большую часть космических лучей. CDMS-II улучшил защиту от радиоактивности и показал непрерывное усовершенствование технологий обнаружения для отклонения остаточного фона. К концу CDMS-II в 2015 году однозначной сигнатуры темной материи обнаружено не было, но скорость взаимодействия WIMP с нормальной материей была зафиксирована для большей части возможного диапазона масс WIMP.

В то время как CDMS-II работал, другие эксперименты прямого обнаружения были доступны онлайн. Многие из них использовали благородные жидкости - прежде всего ксенон и аргон, - которые обеспечивали гораздо большую целевую массу и самоэкранирование, что происходило из-за того, что внешние части жидкости поглощали фоновое излучение, оставляя тихую внутреннюю область для обнаружения WIMP. Некоторые из этих экспериментов с благородной жидкостью превосходили способность CDMS-II обнаруживать WIMP с массами, примерно в 10 раз превышающими массы протона. Прогресс будет продолжаться в этом регионе с большой массой с итальянским детектором XENON1T (в настоящее время работающим) и DARWIN (поиск вещества DARk WImp с жидким ксеноном, запланированный к работе на 2024 г.), а также LZ, слияние LUX (Large Underground Xenon) ) и эксперименты ZEPLIN (ZonEd пропорциональная сцинтилляция в жидких благородных газах) (планируется к 2020 году) в Южной Дакоте ( см. « Первое лицо: Елена Априле " )

Основная проблема для экспериментов с темной материей состоит в том, что мы не знаем, что мы ищем, будь то WIMP или что-то еще. Во время работы CDMS-II теоретики предположили, что может существовать целый темный сектор частиц, аналогичный Стандартной модели частиц нормальной материи. Некоторые из этих предполагаемых частиц темной материи не очень массивны, что усугубляет проблемы, потому что взаимодействие легких частиц темной материи с нормальной материей приводит к очень небольшим энергетическим осаждениям в детекторах.

Обновленная методология детекторов, получившая название CDMSlite («облегченный» означает эксперимент с низким порогом ионизации), была разработана в 2013 году и позволила найти легкие частицы темной материи. В этом новом режиме работы детектора заряды, высвобождаемые при взаимодействии частиц, ускоряются под действием напряжения на кристалле, что приводит к гораздо большему фононному сигналу. Это усиление обеспечивает значительно более низкий энергетический порог и чувствительность к низкоэнергетическим ядерным (и электронным) сигнатурам отдачи взаимодействующей легкой темной материи. В принципе, этот метод позволяет обнаруживать один электрон, высвобождаемый при взаимодействии частицы темной материи, и мы недавно осознали эту возможность в небольшом прототипе детектора.

Сейчас мы разрабатываем и строим эксперимент третьего поколения, который называется SuperCDMS. Он будет расположен на высоте 2070 метров под поверхностью в чистом помещении SNOLAB (Лаборатория Садбери-нейтринной обсерватории), недалеко от Садбери в Онтарио, Канада. Этот эксперимент будет сфокусирован на поиске очень легких частиц темной материи с использованием методов детекторов, впервые примененных в Судане. Это также улучшит экранирование и контроль остаточной радиоактивности. Сложная криогенная система позволяет работать детекторам при температурах до 0,015 Кельвина, сводя к минимуму тепловые помехи тепловым сигнатурам от взаимодействий частиц.

Эксперимент SuperCDMS SNOLAB будет включать чрезвычайно чувствительные детекторы темной материи, которые расположены в 2 километрах под землей ( слева ) и окружены слоями экранирования - включая воду и свинец - для блокирования радиоактивности и других мешающих фонов ( справа ). В начале 2020-х годов ученые надеются, что этот прибор обнаружит очень легкие частицы темной материи, сталкивающиеся с ядрами.

Грег Стюарт / Национальная ускорительная лаборатория SLAC; вставка: СНОЛАБ

Электронная система с низким уровнем шума и система сбора данных регистрирует крошечные сигналы и делает данные доступными для автономной обработки и восстановления взаимодействий частиц. Калибровка с использованием радиоактивных источников и нейтронных пучков позволяет нам в деталях понять характеристики детектора и сравнить их с результатами моделирования. Используя эти методы, мы ожидаем, что мы будем чувствительными к взаимодействиям темной материи со скоростью всего несколько событий в год.

По сравнению с CDMSlite, SuperCDMS SNOLAB будет улучшать чувствительность к взаимодействиям темной материи с нормальной материей на много порядков и улучшать примерно на порядок на самой низкой массе частицы темной материи, которую он может обнаружить. Большая часть этого улучшения чувствительности происходит непосредственно от снижения фоновых сигналов и шума.

Пока что все поиски темной материи оказались пустыми, и впереди еще много проблем. Например, эксперименты с темной материей в конечном итоге столкнутся с фоном, который нельзя уменьшить. Нейтрино, испускаемые Солнцем и другими звездами, окружают нас, но редко взаимодействуют с нормальной материей - большинство проходит непосредственно через всю Землю. Однако эксперименты становятся настолько чувствительными, что они начнут обнаруживать очень редкие взаимодействия нейтрино с атомными ядрами, и они по существу неотличимы от взаимодействий темной материи. Потребуются некоторые очень изобретательные экспериментальные методы, чтобы отделить взаимодействия темной материи от этого нейтринного «тумана».

Поиск темной материи исследует скорость ее взаимодействия с нормальной материей ( ось Y ) в зависимости от массы частицы темной материи ( ось X ). Некоторые эксперименты уже исключили определенные области этого графика ( а ), и эксперимент SuperCDMS SNOLAB будет искать менее массивные частицы темной материи, которые еще реже взаимодействуют с нормальной материей ( b ). Поскольку детекторы становятся еще более чувствительными, солнечные нейтрино будут создавать большие уровни фона ( с ); если там есть частицы темной материи, ученым необходимо разработать новые приборы и анализ данных, чтобы найти их.

Данные из коллаборации SuperCDMS.

И так, поиск продолжается, потому что обнаружение частиц темной материи превысило бы возбуждение всего, что появилось в физике элементарных частиц за последние 20 лет, включая открытие частицы Хиггса. Основная цель - получить представление о материи, составляющей 85 процентов вселенной. Как только мы непосредственно определим, как темная материя взаимодействует с нормальной материей негравитационным образом, мы также получим понимание о более масштабных структурах, которые мы видим во вселенной.

Наконец, открытие темной материи частиц, безусловно, изменит наши представления о физике элементарных частиц, особенно если существует целый сектор частиц темной материи. Может быть целая темная вселенная, состоящая из частиц, которые в настоящее время неизвестны. Те из нас, кто работает над экспериментами следующего поколения, горячо надеются, что эта новая граница станет доступной для нас в течение следующего десятилетия.

• Агнесе Р. и соавт. 2017. Прогнозируемая чувствительность эксперимента SuperCDMS SNOLAB. Физический обзор D 95: 082002.
• Бодис, Л. 2018. Поиски темной материи. По состоянию на 3 июля 2018 года. Https://arxiv.org/abs/1801.08128v1
• SuperCDMS Collaboration, et al. 2018. Первые ограничения темной материи от однозарядного чувствительного детектора SuperCDMS. По состоянию на 3 июля 2018 года. Https://arxiv.org/abs/1804.10697.
• SuperCDMS Collaboration, et al. 2018. Поиск маломассивной темной материи с CDMSlite. Физический обзор D 97: 022002.

Похожие

Комментарии