Изображение предоставлено: Fermilab
Получив первые данные из своей подземной обсерватории в Северной Миннесоте, ученые из Криогенного Поиска Темной Материи с большей чувствительностью, чем когда-либо ранее, заглянули в предполагаемое царство WIMPS. Наблюдение за слабо взаимодействующими массивными частицами могло бы решить двойную загадку темной материи в космическом масштабе и суперсимметрии в субатомном масштабе.
Результат CDMS II, описанный в документе, представленном в Physical Review Letters, показывает с 90-процентной уверенностью, что скорость взаимодействия WIMP с массой 60 ГэВ должна быть менее 4 x 10-43 см2 или около одного взаимодействия каждые 25 дней на килограмм. германия, материал в эксперименте детектора. Этот результат говорит исследователям больше, чем они когда-либо знали о WIMPS, если они существуют. Измерения с детекторов CDMS II, по крайней мере, в четыре раза более чувствительны, чем лучшие предыдущие измерения, предложенные экспериментом EDELWEISS, подземным европейским экспериментом вблизи Гренобля, Франция.
«Подумайте об этой улучшенной чувствительности, как о новом телескопе с удвоенным диаметром и, следовательно, в четыре раза больше, чем у всех, кто был до него», - сказал пресс-секретарь CDMS II Блас Кабрера из Стэнфордского университета. «Теперь мы можем искать сигнал, яркость которого составляет всего одну четвертую, как и раньше. В течение следующих нескольких лет мы ожидаем повышения нашей чувствительности в 20 и более раз ».
Результаты будут представлены на апрельской встрече Американского физического общества 3 и 4 мая в Денвере Гарри Нельсоном и аспирантом Джоелом Сандерсом, оба из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, а также Геншенгом Вангом и Шармилой Камат из Case Western Резервный университет.
«Мы знаем, что ни наша Стандартная модель физики элементарных частиц, ни наша модель космоса не являются полными», - сказал представитель CDMS II Бернард Садулет из Калифорнийского университета в Беркли. «Эта конкретная недостающая часть кажется подходящей для обеих загадок Мы видим одну и ту же форму с двух разных сторон ».
WIMP, которые не несут никакой ответственности, являются исследованием противоречий. Хотя физики ожидают, что они будут иметь в 100 раз большую массу протонов, их призрачная природа позволяет им скользить сквозь обычную материю, оставляя едва след. Термин «слабо взаимодействующий» относится не к количеству энергии, выделяемой при взаимодействии с нормальной материей, а скорее к тому, что они взаимодействуют крайне редко. На самом деле, сотня миллиардов WIMP, возможно, пронеслись через ваше тело, когда вы читали эти первые несколько предложений.
В состав CDMS II входят 48 ученых из 13 учреждений, а также еще 28 инженерно-технических и административных сотрудников, финансируемый Министерством науки Министерства энергетики США, Отделом астрономии и физики Национального научного фонда и учреждениями-членами. Национальная ускорительная лаборатория Министерства энергетики им. Ферми обеспечивает управление проектом для CDMS II.
«Природа темной материи имеет основополагающее значение для нашего понимания формирования и развития Вселенной», - сказал доктор Раймонд Л. Орбах, директор Управления науки Министерства энергетики. «Этот эксперимент не мог бы быть успешным без активного сотрудничества Управления науки Министерства энергетики и Национального научного фонда».
Майкл Тернер, помощник директора по математике и физическим наукам в NSF, описал идентификацию составляющей темной материи как одну из самых больших проблем как в астрофизике, так и в физике элементарных частиц.
«Темная материя скрепляет все структуры во вселенной, включая наш собственный Млечный путь, и мы до сих пор не знаем, из чего состоит темная материя», - сказал Тернер. «Рабочая гипотеза состоит в том, что это новая форма материи, которая, если она правильна, проливает свет на внутреннюю работу элементарных сил и частиц. В поисках решения этой важной загадки CDMS сейчас стоит во главе пакета, и еще один фактор чувствительности 20 еще впереди ».
Темная материя во вселенной обнаружена через ее гравитационные эффекты на всех космических масштабах, от роста структуры в ранней вселенной до стабильности галактик сегодня. Космологические данные из многих источников подтверждают, что эта невидимая темная материя в семь раз превышает количество обычной видимой материи, образующей звезды, планеты и другие объекты во вселенной.
«Что-то там образовало галактики и удерживает их вместе сегодня, и оно не излучает и не поглощает свет», - сказал Кабрера. «Масса звезд в галактике составляет всего 10 процентов от массы всей галактики, поэтому звезды похожи на огни рождественской елки, украшающие гостиную большого темного дома».
Физики также полагают, что WIMP могут быть пока еще ненаблюдаемыми субатомными частицами, называемыми нейтралино. Это было бы доказательством теории суперсимметрии, вводящей интригующую новую физику за пределы сегодняшней Стандартной модели фундаментальных частиц и сил.
Суперсимметрия предсказывает, что каждая известная частица имеет суперсимметричный партнер с дополнительными свойствами, хотя ни один из этих партнеров еще не наблюдался. Однако многие модели суперсимметрии предсказывают, что самая легкая суперсимметричная частица, называемая нейтралино, имеет массу, примерно в 100 раз превышающую массу протона.
«Теоретики придумали все эти так называемые« суперсимметричные партнеры »известных частиц, чтобы объяснить проблемы на малейших расстояниях», - сказал Дэн Акериб из Case Western Reserve University. «В одном из этих увлекательных соединений очень больших и очень маленьких, самый легкий из этих суперпартнеров может быть недостающим фрагментом головоломки для объяснения того, что мы наблюдаем на самых больших расстояниях».
Команда CDMS II практикует «подземную астрономию» с детекторами частиц, расположенными почти в полумиле от поверхности земли в бывшем железном руднике в Судане, штат Миннесота. 2341 фут земной коры защищает космические лучи и фоновые частицы, которые они производят. Детекторы изготовлены из германия и кремния, полупроводниковых кристаллов с аналогичными свойствами. Детекторы охлаждаются с точностью до одной десятой градуса абсолютного нуля, настолько холодные, что молекулярное движение становится незначительным. Детекторы одновременно измеряют заряд и вибрации, возникающие при взаимодействии частиц внутри кристаллов. WIMPS будет сигнализировать об их присутствии, выпуская меньший заряд, чем другие частицы для того же количества вибрации.
«Наши детекторы действуют как телескоп, оборудованный фильтрами, которые позволяют астрономам отличать один цвет света от другого», - сказал руководитель проекта CDMS II Дэн Бауэр из Fermilab. «Только в нашем случае мы пытаемся отфильтровать обычные частицы в пользу WIMPS темной материи».
Физик Эрл Петерсон из Университета Миннесоты курирует Подземную Лабораторию Судана, где также проводится эксперимент по изучению нейтрино на основе исходных данных Фермилаба - «Осцилляция осцилляции главного инжектора».
«Я взволнован значительным новым результатом от CDMS II, и я поздравляю сотрудничество», сказал Петерсон. «Я рад, что оборудование лаборатории Судана способствовало успеху СУКД II. И мне особенно приятно, что работа Fermilab и Университета Миннесоты по расширению лаборатории Судана привела к превосходной новой физике ».
По мере того, как CDSMII будет искать WIMP в течение следующих нескольких лет, либо будет обнаружена темная материя нашей вселенной, либо будет исключен большой диапазон суперсимметричных моделей. В любом случае эксперимент CDMS II будет играть важную роль в продвижении нашего понимания физики элементарных частиц и космоса.
Учреждения, сотрудничающие с CDMS II, включают Университет Брауна, Университет Case Western Reserve, Национальную ускорительную лабораторию им. Ферми, Национальную лабораторию Лоуренса Беркли, Национальные институты стандартов и технологий, Принстонский университет, Университет Санта-Клары, Стэнфордский университет, Калифорнийский университет в Беркли, Калифорнийский университет в Санта-Барбаре, Университет Колорадо в Денвере, Университет Флориды и Университет Миннесоты.
Fermilab - национальная лаборатория Министерства образования США, работающая по контракту с Universities Research Association, Inc.
Первоисточник: пресс-релиз Fermilab
