Pátrání po temné hmotě částic nás vedlo k hledání WIMP, které by se mohly vracet s atomovými jádry. Spolupráce LZ poskytne nejlepší limity průřezů nukleonů WIMP ze všech, ale nejlépe motivované scénáře pro to, aby částice poháněné slabou silou v nebo v blízkosti elektroslabého měřítka tvořily 100% tmavé hmoty, jsou již vyloučeny. . (LUX-ZEPLIN (LZ) COLLABORATION / SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY)

Naděje „WIMP Miracle“ pro temnou záležitost je mrtvá

Neměli bychom se však vzdát přímé detekce. Tady je důvod.

Temná hmota není jen nejhojnější formou hmoty ve vesmíru, je také nejzáhadnější. Zatímco všechny ostatní částice, o nichž víme - atomy, neutrina, fotony, antihmota a všechny ostatní částice ve standardním modelu - interagují alespoň jednou ze známých kvantových sil, zdá se, že temná hmota interaguje pouze gravitací.

Podle mnoha lidí by bylo lepší nazývat to neviditelnou hmotou než temnou hmotou. Nejen, že nevyzařuje, ani neabsorbuje světlo, ale neinteraguje se žádnými známými, přímo detekovatelnými částicemi prostřednictvím elektromagnetických, silných nebo slabých jaderných sil. Nejvyhledávanějším kandidátem na temnou hmotu je WIMP: Weakly Interactioning Massive Particle. Velká naděje byla pro zázrak WIMP, skvělá předpověď supersymetrie.

Je rok 2019 a ta naděje je nyní přerušena. Experimenty s přímou detekcí důkladně vyloučily WIMP, ve které jsme doufali.

Když srazíte jakékoli dvě částice dohromady, prozkoumáte vnitřní strukturu částic, které se srazí. Pokud jeden z nich není základní, ale je to spíše složená částice, mohou tyto experimenty odhalit jeho vnitřní strukturu. Zde je navržen experiment pro měření signálu rozptylu temné hmoty / nukleonu. Existuje však mnoho světských příspěvků na pozadí, které by mohly přinést podobný výsledek. Tento konkrétní signál se objeví v Germanium, kapalný XENON a kapalné ARGON detektory. (PŘEHLED DARK MATTER: VYHLEDÁVÁNÍ KOLIDŮ, PŘÍMÝCH A NEPŘÍMÝCH DETEKCÍ - QUEIROZ, FARINALDO S. ARXIV: 1605.08788)

Vesmír musí být z astrofyzikálního hlediska tvořen více než jen běžnou hmotou, kterou známe. Normální hmota se v tomto případě kvalifikuje jako jakákoli ze známých částic ve standardním modelu. Zahrnuje cokoli z kvarků, leptonů nebo známých bosonů a zahrnuje exotické objekty, jako jsou neutronové hvězdy, černé díry a antihmota. Veškerá normální hmota ve vesmíru byla kvantifikována řadou metod a celkem činí až šestinu toho, co musí být přítomno, celkově, aby vysvětlil gravitační interakce, které vidíme na kosmických měřítcích.

Velkým problémem je samozřejmě to, že všechny naše důkazy o temné hmotě jsou nepřímé. Jeho účinky můžeme pozorovat v astrofyzikální laboratoři vesmíru, ale nikdy jsme to přímo nezjistili, v laboratoři tady na Zemi. To vám nezáleží na nedostatku pokusů.

Hala B LNGS s instalacemi XENON, s detektorem nainstalovaným uvnitř velkého vodního štítu. Pokud existuje nenulový průřez mezi temnou hmotou a normální hmotou, nebude mít experiment jako takový šanci přímo detekovat temnou hmotu, ale existuje šance, že temná hmota nakonec interaguje s vaším lidským tělem. (INFN)

Pokud chcete přímo detekovat temnou hmotu, není to tak jednoduché jako detekovat známé částice standardního modelu. U všeho, co je vyrobeno z kvarků, leptonů nebo známých bosonů, můžeme kvantifikovat, jakými silami interagují a jakou velikostí. Můžeme použít to, co víme o fyzice, a zejména o známých silách a interakcích mezi známými částicemi, k předpovídání veličin, jako jsou průřezy, rychlosti rozpadu a produkty, amplitudy rozptylu a další vlastnosti, které jsme schopni experimentálně měřit částicová fyzika.

Od roku 2019 jsme se setkali s obrovským úspěchem na frontách, které potvrdily standardní model tak, aby teoretici i experimentátoři mohli snít teprve před půlstoletím. Detektory na srážkách a izolovaná podzemní zařízení vedly cestu vpřed.

Částice a antičástice standardního modelu byly nyní přímo detekovány, přičemž poslední zdržení, Higgsův boson, padalo na LHC začátkem této dekády. Všechny tyto částice mohou být vytvářeny při LHC energiích a jejich hmota vede k základním konstantám, které jsou naprosto nezbytné pro jejich úplné popsání. Tyto částice lze dobře popsat fyzikou kvantových teorií pole, které jsou základem standardního modelu, ale nepopisují vše, jako je temná hmota. (E. SIEGEL / ZA GALAXY)

Standardním modelem je předpovězeno celé spektrum částic - základních i složených. Jejich interakce prostřednictvím silných jaderných, elektromagnetických a slabých jaderných sil lze vypočítat pomocí technik vyvinutých v teorii kvantového pole, což nám umožňuje vytvářet a detekovat tyto částice různými způsoby.

Každý jednotlivý kvark a antikvark se nyní vyrábí přímo v urychlovači, přičemž nejvyšší kvark, poslední výlov, klesá v roce 1995.

Každý lepton a antilepton byl viděn detektory, přičemž tau neutrino (a jeho protějšek protějšek, tau antineutrino) dokončuje sektor leptonu na počátku až poloviny roku 2000.

A každý jeden z bosonů standardního modelu byl také vytvořen a detekován, přičemž Higgsův boson, poslední kousek skládačky, se definitivně objevil na LHC v roce 2012.

První robustní 5-sigma detekce Higgsova bosonu byla oznámena před několika lety jak spoluprací CMS, tak ATLAS. Higgsův boson však v údajích nedělá jediný „bodec“, ale spíše rozprostřenou ránu, kvůli své vlastní hmotné nejistotě. Hodnota jeho hmotnosti 125 GeV / c² je pro fyziky záhadou, ale ne tak matoucí jako puzzle temné hmoty. (SPOLUPRÁCE CMS, „POZOROVÁNÍ DIPHOTONSKÉHO ROZHODNUTÍ HIGGS BOSON A MĚŘENÍ JEJICH VLASTNOSTÍ“, (2014))

Chápeme, jak se částice standardního modelu chovají. Máme solidní předpovědi o tom, jak by měly interagovat přes všechny základní síly, a experimentální potvrzení těchto teorií. Máme také mimořádná omezení ohledně toho, jak je jim dovoleno interagovat nad rámec standardního modelu. Kvůli našim omezením z urychlovačů, kosmických paprsků, experimentů s rozkladem, jaderných reaktorů a dalších, jsme byli schopni vyloučit mnoho možných myšlenek, které byly teoretizovány.

Pokud jde o to, co by mohlo tvořit temnou hmotu, máme však jen astrofyzikální pozorování a naši teoretickou práci, ve tandemu, nás vede. Možné teorie, s nimiž jsme přišli, zahrnují obrovské množství kandidátů na temnou hmotu, ale žádné, které nezískaly žádnou experimentální podporu.

Síly ve vesmíru a to, zda se mohou spojit s temnou hmotou nebo ne. Gravitace je jistota; všechny ostatní jsou, pokud jde o úroveň interakce, buď ne, nebo jsou silně omezeny. (PERIMETEROVÝ INSTITUT)

Nejvyhledávanějším kandidátem na temnou hmotu je WIMP: Weakly Interactioning Massive Particle. V raných dnech - tj. V 70. letech 20. století - se zjistilo, že některé teorie fyziky částic, které předpovídají nové částice mimo standardní model, by mohly nakonec produkovat nové typy stabilních, neutrálních částic, pokud by existoval nějaký nový typ parity (typ symetrie), která jim zabránila v rozpadu.

To nyní zahrnuje nápady, jako je supersymetrie, další dimenze nebo malý scénář Higgs. Všechny tyto scénáře mají stejný společný příběh:

  • Když byl vesmír horký a hustý brzy na začátku, byly všechny částice (a antičástice), které mohly být vytvořeny, vytvořeny ve velkém množství, včetně jakýchkoli nadstandardních modelů.
  • Když se vesmír ochladil, tyto částice se rozpadly na postupně lehčí a stabilnější.
  • A kdyby byl ten nejlehčí stabilní (kvůli nové paritní symetrii) a elektricky neutrální, trval by to dodnes.

Pokud vyhodnotíte, jaká je hmotnost a průřez těchto nových částic, můžete dnes získat odhadovanou hustotu pro jejich odhadovanou hojnost.

Aby bylo možné získat správný kosmologický výskyt temné hmoty (osa y), musíte, aby tmavá hmota měla správné průřezy interakce s normální hmotou (vlevo) a správné vlastnosti auto-zničení (vpravo). Experimenty s přímou detekcí nyní vylučují tyto hodnoty, které vyžaduje Planck (zelená), což znechucuje slabou sílu interagující temnou hmotu WIMP. (P. S. BHUPAL DEV, ANUPAM MAZUMDAR, & SALEH QUTUB, FRONT.IN PHYS. 2 (2014) 26)

Odtud pocházela myšlenka na temnou hmotu WIMP. Tyto nové částice nemohly interagovat prostřednictvím silné nebo elektromagnetické interakce; tyto interakce mají příliš vysoký průřez a už by se ukázaly. Slabá jaderná interakce je však možná. Původně znamenalo „W“ ve WIMP slabou interakci, protože došlo k velkolepé shodě (objevující se v supersymetrii) známé jako zázrak WIMP.

Pokud vložíte hustotu temné hmoty, kterou dnes vesmír vyžaduje, můžete odvodit, kolik částic temné hmoty potřebujete pro danou hmotu, abyste ji vytvořili. Hromadné měřítko zájmu o supersymetrii - nebo jakoukoli teorii objevující se na elektroslabé stupnici - je v ballparku o velikosti 100 GeV až 1 TeV, takže můžeme vypočítat, jaký musí být průřez sebezničení, aby se získal správný počet temné hmoty.

Tato hodnota (průřezu vynásobeného rychlostí) se ukáže kolem 3 × 10 ^ –26 cm³ / s, což je v souladu s tím, co byste očekávali, pokud by takové částice interagovaly prostřednictvím elektroslabé síly.

Dnes se Feynmanovy diagramy používají při výpočtu každé základní interakce zahrnující silné, slabé a elektromagnetické síly, a to i ve vysokoenergetických a nízkoteplotních / kondenzovaných podmínkách. Pokud existuje nová částice, která se spojuje se slabou interakcí, budou na určité úrovni interagovat se známými částicemi standardního modelu, a budou mít tedy průřez protonem a neutronem. (DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL. NUCL.PHYS. B875 (2013) 738–756)

Samozřejmě, pokud nějaké nové částice interagují prostřednictvím elektroslabé síly, spojí se také s částicemi standardního modelu. Pokud se nová částice spojí například s bosonem W nebo Z (který nese slabou sílu), pak existuje konečná nenulová pravděpodobnost, že se tyto částice srazí s jakoukoli částicí, ke které se boson W nebo Z spojí, jako je kvark uvnitř protonu nebo neutronu.

To znamená, že můžeme konstruovat experimenty s temnou hmotou a hledat jaderný zpětný tok známých částic normální hmoty. Úvahy nad rámec těch způsobených normální hmotou by byly důkazem existence temné hmoty. Jistě, existují události na pozadí: neutrony, neutrina, radioaktivní rozpadající se jádra v okolní hmotě atd. Ale pokud znáte kombinaci energie a hybnosti signálu, který hledáte, a svůj experiment navrhnete chytře, můžete kvantifikovat svůj pozadí a extrahovat potenciální signál temné hmoty, který tam může být.

Mezní průřezy protonů a neutronů ze spolupráce LUX, které účinně vylučovaly poslední z 2000-parametrového prostoru pro WIMP interagující prostřednictvím slabé síly, byly 100% temné hmoty. Všimněte si, že ve světle zastíněných oblastech na pozadí, jak teoretici vytvářejí nové „revidované“ předpovědi na spodních a dolních průřezech. K tomu není dobrá fyzická motivace. (LUX COLLABORATION, PHYS. REV. LETT. 118, 251302 (2017))

Tyto experimenty nyní probíhají po celá desetiletí a neviděly žádnou temnou hmotu. Nejpřísnější moderní omezení pocházejí z LUX (výše) a XENON 1T (níže). Tyto výsledky nás informují, že průřez interakce protonů a neutronů je mimořádně malý a liší se pro scénáře závislé na spinu a nezávislé na spinu.

LUX nás dostal dolů na průřezově závislé mezní průřezy pod 1,0–1,6 × 10 ^ −41 cm² pro protony a neutrony a ty nezávislé na spinech pod 1,0 × 10 ^ −46 cm²: dostatečně nízká, aby vyloučila všechny modely SUSY tmavá hmota navržená v roce 2001. Citlivější omezení nyní přichází z XENONu: spin-dependentní neutronové omezení je 6 × 10–42 cm², zatímco průřezy nezávislé na průřezech jsou pod 4,1 × 10–47 cm², další utažení šroubů .

Průřez nezávislý na rotaci WIMP / nukleon nyní získá své nejpřísnější limity z experimentu XENON1T, který se zlepšil ve všech předchozích experimentech, včetně LUX. Zatímco teoretici a fenomenologové nepochybně budou pokračovat ve vytváření nových předpovědí s menšími a menšími průřezy, myšlenka zázraku WIMP ztratila veškerou rozumnou motivaci experimentálními výsledky, které již máme v ruce. (E. APRILE ET AL., PHYS. REV. LETT. 121, 111302 (2018))

Jedná se o jiné měření než o tom, že by částice temné hmoty byly samy zničitelné, ale toto měření nám říká něco neuvěřitelně cenného. Modely supersymetrie nebo extra dimenze, které dávají správným množstvím tmavé hmoty prostřednictvím slabých interakcí, jsou těmito experimenty vyloučeny. Pokud existuje tmavá hmota WIMP, musí být slabší, než umožňuje slabá interakce, aby tvořila 100% tmavé hmoty. Navíc by LHC nemělo detekovatelně produkovat.

Teoretici mohou vždy vyladit své modely a mnohokrát to udělali, když očekávaný průřez posouvají dolů a dolů jako nulový výsledek poté, co se vynulovají nulové výsledky. To je však nejhorší druh vědy, kterou můžete udělat: jednoduše posunujte branky bez fyzický důvod jiný než vaše experimentální omezení se stal závažnějším. Neexistuje již žádná jiná motivace, než upřednostnění závěru, že data vylučují, přitom.

Existovalo obrovské množství potenciálních nových fyzikálních podpisů, které fyzici hledali na LHC, od dalších rozměrů přes tmavou hmotu po supersymetrické částice až po mikro-černé díry. Přes všechna data, která jsme shromáždili z těchto vysokoenergetických kolizí, žádný z těchto scénářů neprokázal důkazy podporující jejich existenci. (CERN / ATLAS EXPERIMENT)

Ale provádění těchto experimentů s přímou detekcí je stále neuvěřitelně cenné. Existují i ​​jiné způsoby, jak produkovat temnou hmotu, která přesahuje nejběžnější scénář. Tato omezení navíc nevyžadují zdroj temné hmoty, který není součástí WIMPy. Mnoho dalších zajímavých scénářů nepotřebuje zázrak WIMP.

Po mnoho desetiletí bylo „W“ uznáno, že neznamená slabou interakci, ale stojí za interakci ne silnější, než je dovoleno slabou silou. Pokud máme nové, nadstandardní částice, můžeme mít také nové síly a interakce. Experimenty jako XENON a LUX jsou naším jediným způsobem, jak je prozkoumat.

Kromě toho kandidáti na temnou hmotu, které jsou produkovány odlišným mechanismem v nižších hmotnostních rozsazích, jako jsou axiony nebo sterilní neutrina, nebo samotnou gravitační interakcí při vyšších hmotnostech, jako jsou WIMPzily, jsou velmi ve hře.

Kryogenní uspořádání jednoho z experimentů, které se snaží využít hypotetickou interakci pro kandidáta na temnou hmotu jiného než WIMP: axion. Axiony, pokud jsou temnou hmotou, by se mohly elektromagnetickou interakcí převést na fotony a zde znázorněná dutina je navržena tak, aby otestovala tuto možnost. Pokud však temná hmota nemá specifické vlastnosti, které současné experimenty testují, žádný z detekovaných detektorů ji nikdy nenajde přímo. (ZKOUŠKA AXION DARK MATTER EXPERIMENT (ADMX) / LLNL'S FLICKR)

Náš hon na temnou hmotu v laboratoři prostřednictvím přímé snahy o detekci i nadále klade důležitá omezení na to, co fyzika může být za standardním modelem. Pro ty, kteří se zajímají o zázraky, se však nyní všechny pozitivní výsledky zdají být stále méně pravděpodobné. Toto hledání nyní připomíná opilého, který hledal své ztracené klíče pod sloupem lampy. Ví, že tam nejsou, ale je to jediné místo, kde světlo, které mu umožňuje vypadat, svítí.

Zázrak WIMP může být mrtvý a pryč, protože částice interagující slabou silou v elektroslabém měřítku byly negativně ovlivněny jak srážkami, tak přímou detekcí. Myšlenka temné hmoty WIMP však pokračuje. Musíme si pamatovat, že když uslyšíte WIMP, zahrneme temnou hmotu, která je slabší a slabší, než to umožní i slabá interakce. Ve vesmíru je nepochybně něco nového a čeká na objevení.

Zázrak WIMP je u konce. Ale stále bychom mohli získat ten nejlepší zázrak ze všech: pokud tyto experimenty ukážou něco nad nulový výsledek. Jediný způsob, jak vědět, je podívat se.

Začíná s Bang je nyní na Forbesu a znovu publikován na Medium díky našim příznivcům Patreonu. Ethan je autorem dvou knih Beyond the Galaxy a Treknology: Science of Star Trek od Tricorders po Warp Drive.