Pildikrediit: Fermilab
Esimeste andmetega Põhja-Minnesota maa-alusest observatooriumist on krüogeensete tumedate ainete otsingu teadlased WIMPSi kahtlustatavasse valdkonda tundlikumad kui kunagi varem. Nõrgalt interakteeruvate massiivsete osakeste nägemine võib lahendada tumeda aine topeltmüsteeriumi kosmilisel skaalal ja supersümmeetria subatomilisel skaalal.
CDMS II tulemus, mida kirjeldatakse Physical Review Lettersile saadetud dokumendis, näitab 90-protsendilise kindlusega, et massiga 60 GeV oleva WIMP koostoime kiirus peab olema väiksem kui 4 x 10–43 cm2 või umbes üks koostoime iga 25 päeva järel kilogrammi kohta. germaanium, katse detektoris olev materjal. See tulemus annab teadlastele teada, kui nad WIMPSi kohta on kunagi varem teada saanud, kui need on olemas. CDMS II detektorite mõõtmised on vähemalt neli korda tundlikumad kui parim eelnev mõõtmine, mida pakkus EDELWEISS katse, maa-alune Euroopa katse Grenoble'i lähedal Prantsusmaal.
"Mõelge sellele paranenud tundlikkusele nagu uus kaks korda suurema läbimõõduga teleskoop ja seega neli korda suurem valguskogus kui see, mis selle ette jõudis," ütles CDMS II kaastöötaja Blas Cabrera Stanfordi ülikoolist. „Nüüd saame otsida signaali, mis on vaid neljandiku heledam kui ükski teine, mida me varem oleme näinud. Järgmise paari aasta jooksul loodame parandada oma tundlikkust 20-kordselt või enam. ”
Tulemusi tutvustavad Ameerika füüsilise seltsi aprillikuisel koosolekul 3. ja 4. mail Denveris Harry Nelson ja kraadiõppur Joel Sanders, mõlemad California ülikoolist - Santa Barbara, ning Gensheng Wang ja Sharmila Kamat Case Westernist. Reservülikool.
"Me teame, et ei meie osakestefüüsika ega ka kosmosemudel pole täielik," ütles CDMS II pressiesindaja Bernard Sadoulet California Berkeley ülikoolist. “See konkreetne puuduv tükk näib sobivat mõlemale mõistatusele. Me näeme sama kuju kahes erinevas suunas. ”
WIMP-id, millel pole mingit tasu, on uurimus, milles on vastuolusid. Kui füüsikud eeldavad, et nende prootonite mass on umbes 100-kordne, võimaldab nende kummituslik olemus neil libiseda tavalisest ainest, jättes vaevu jälje. Mõiste „nõrgalt interakteeruv” ei tähenda mitte normaalse ainega kokkupuutel ladestunud energia kogust, vaid pigem seda, et nad suhtlevad äärmiselt harva. Tegelikult võis sada esimest miljardit lauset lugedes teie kehast voolata koguni sada miljardit WIMP-i.
CDMS II koos 48 teadlasega 13 institutsioonist ja veel 28 inseneri-, tehnika- ja haldustöötajaga tegutseb USA energeetikaosakonna teadusbüroo, Riikliku Teadusfondi astronoomia- ja füüsikaosakondade ning liikmesasutuste toetusel. DOE Fermi riiklik kiirendilabor pakub CDMS II projektijuhtimist.
"Tumeda aine olemus on meie arusaamiseks universumi kujunemisest ja arengust ülioluline," ütles DOE kontoriteaduse direktor dr Raymond L. Orbach. "See katse ei oleks õnnestunud ilma DOE teadusbüroo ja riikliku teadusfondi aktiivse koostööta."
NSF matemaatika ja füüsikaliste teaduste direktori abidirektor Michael Turner kirjeldas tumeaine koostisosa tuvastamist ühe suure väljakutsena nii astrofüüsikas kui ka osakeste füüsikas.
"Tume aine hoiab kokku kõiki universumi struktuure - sealhulgas meie enda Linnutee - ja me ei tea siiani, millest tume aine koosneb," ütles Turner. Tööhüpotees on, et see on uus mateeria vorm - mis õige korral valgustab elementaarsete jõudude ja osakeste sisemist tööd. Sellele olulisele mõistatusele lahendust otsides on CDMS nüüd paketi eesotsas ning veel üks tundlikkuse koefitsient 20 - ees.
Tume aine universumis tuvastatakse selle gravitatsioonilise mõju kaudu kõikidele kosmilistele skaaladele, alates struktuuri kasvust varases universumis kuni galaktikate stabiilsuseni tänapäeval. Mitmete allikate kosmoloogilised andmed kinnitavad, et see nähtamatu tumeaine moodustab enam kui seitse korda tavalise nähtava aine hulga, mis moodustab tähed, planeedid ja muud objektid universumis.
"Midagi seal moodustasid galaktikad ja hoiab neid täna koos ning see ei kiirga ega neela valgust," ütles Cabrera. "Tähtede mass galaktikas on vaid 10 protsenti kogu galaktika massist, nii et tähed on nagu jõulupuu tuled, mis kaunistavad suure tumeda maja elutuba."
Füüsikud usuvad ka, et WIMP-d võivad olla seni tähelepanemata subatomaalsed osakesed, mida nimetatakse neutinoosideks. Need oleksid tõestuseks supersümmeetria teooriale, tutvustades intrigeerivat uut füüsikat kaugemale tänapäevasest põhiliste osakeste ja jõudude standardmudelist.
Supersümmeetria ennustab, et igal teadaoleval osakesel on komplementaarsete omadustega supersümmeetriline partner, ehkki ühtegi neist partneritest pole veel täheldatud. Kuid paljud supersümmeetria mudelid ennustavad, et kergeima supersümmeetrilise osakese, mida nimetatakse neutralinoks, mass on umbes 100 korda suurem kui prootonil.
"Teoreetikud tulid välja kõigi nende teadaolevate osakeste niinimetatud" supersümmeetriliste partneritega ", et selgitada probleeme kõige väiksematel kaugusskaaladel," ütles Dan Akerib Case Western Reserve University'st. "Ühes neist väga suurte ja väga väikeste põnevate ühendustega võiks neist superpartneritest kõige kergem olla pusletükk, mis selgitaks, mida me kõige suurema vahemaa skaalal jälgime."
CDMS II meeskond tegeleb maa-aluse astronoomiaga, mille osakeste detektorid asuvad umbes pool miili maapinnast Minnesota osariigis Soudanis asuvas endises rauakaevanduses. Maapõue 2341 jalga varjab kosmilised kiired ja nende tekitatavad taustaosakesed. Detektorid on valmistatud germaaniumi ja räni sarnaste omadustega pooljuhtkristallidest. Detektorid jahutatakse absoluutse nulli kraadini ühe kümnendiku täpsusega, nii külm, et molekulaarne liikumine muutub tühiseks. Detektorid mõõdavad samaaegselt kristallides osakeste vastasmõjul tekkinud laengut ja vibratsiooni. WIMPS annab nende olemasolust märku, vabastades sama palju vibratsiooni vähem kui teised osakesed.
"Meie detektorid toimivad nagu teleskoop, mis on varustatud filtritega, mis võimaldavad astronoomidel eristada ühte valguse värvi teisest," ütles CDMS II projektijuht Dan Bauer Fermilabist. "Ainult meie puhul üritame tavalisi osakesi WIMPS-i kasuks välja filtreerida."
Minnesota ülikooli füüsik Earl Peterson juhib Soudani maa-alust laboratooriumi, mis on ka koduks Fermilabi pika algväärtusega neutriinokatsele, põhisüstija neutrinoostsillatsiooniotsingule.
"Olen põnevil CDMS II uue olulise tulemuse üle ja õnnitlen koostööd," ütles Peterson. „Mul on hea meel, et Soudani labori ruumid aitasid kaasa CDMS II õnnestumisele. Ja mul on eriti hea meel, et Fermilabi ja Minnesota ülikooli töö Soudani labori laiendamisel on andnud tulemuseks suurepärase uue füüsika. "
Kui CDSMII otsib lähiaastatel WIMP-sid, avastatakse kas meie universumi tume aine või välistatakse suur hulk supersümmeetrilisi mudeleid. Mõlemal juhul mängib CDMS II eksperiment suurt rolli osakestefüüsika ja kosmose mõistmise edendamisel.
CDMS II koostööd tegevate asutuste hulka kuuluvad Browni ülikool, Case Western Reserve'i ülikool, Fermi riiklik kiirendi laboratoorium, Lawrence Berkeley riiklik laboratoorium, riiklikud standardite ja tehnoloogia instituudid, Princetoni ülikool, Santa Clara ülikool, Stanfordi ülikool, California-Berkeley ülikool, California ülikool - Santa Barbara, Colorado ülikool Denveris, Florida ülikool ja Minnesota ülikool.
Fermilab on DOE Teadusbüroo riiklik laboratoorium, mida haldab Universities Research Association, Inc. lepingu alusel.
Algne allikas: Fermilabi pressiteade
