Experimentelle Anspielungen auf die Existenz dunkler Materie

Ein kurzer Überblick über die Hinweise auf die Existenz von Signalen der Dunklen Materie (von denen zwei am Himmel und vier im Untergrund gefunden wurden), was bedeuten könnte, dass diese Partikel der Dunklen Materie an etwas Interessantem beteiligt sind. Einige Signale mögen sich als wahr herausstellen, aber nicht alle sechs, da sich einige von ihnen widersprechen. Dies sollte Sie nicht beunruhigen: Eine ähnliche Situation ist für fortgeschrittene Wissenschaft völlig normal; Forschung ist eine komplizierte Angelegenheit, und die meisten Anspielungen auf etwas Erstaunliches erweisen sich als Trugbilder - statistische Unfälle, bisher unbekannte Kuriositäten, Messprobleme oder einfach triviale Fehler. Im Fall von beispielsweise dem Higgs-Teilchen hatten wir mehrere Fehlalarme, bis sich schließlich herausstellte, dass der Alarm wahr war. Wir müssen also geduldig und vorsichtig sein und dürfen nicht die Hoffnung verlieren. Entdeckungen sind selten, aber passieren.

Dunkle Materie über uns

Vom Satelliten Fermi erhaltene Informationen deuten darauf hin, dass ein Photonenstrom bestimmter Energien (etwa 135 GeV, dh mit einer Massenenergie von etwa 143-mal mehr als die eines Protons) vom Zentrum der Galaxie ausgeht. Dies könnte möglicherweise ein Zeichen für das Vorhandensein von Partikeln der dunklen Materie sein (es sollten sich besonders viele dieser Partikel langsam in einem Kreis im Zentrum der Galaxie bewegen), die miteinander kollidieren, sich vernichten und sich in Photonen verwandeln.

Kurz gesagt, es geht ungefähr so: Das Energieeinsparungsgesetz stellt sicher, dass die Energie zweier vernichtender Teilchen der dunklen Materie (meist als Massenenergie dargestellt, da sich Teilchen der dunklen Materie sehr langsam über die Galaxie bewegen) in die Bewegungsenergie zweier Photonen umgewandelt wird - daher die Energie Jedes Photon ist gleich der Masse eines Teilchens der dunklen Materie multipliziert mit c ² .

Muss ich mir Sorgen machen, dass dieses Signal möglicherweise nicht so ist, wie es scheint? Das kleine Problem ist, dass ein Standard- WIMP (ein massives Teilchen, das durch schwache Kernwechselwirkung mit Materie interagiert) kein solches Signal erzeugen kann, ohne andere Signale abzugeben, die wir ebenfalls sehen müssten (zum Beispiel eine große Anzahl von Protonen mit niedrigerer Energie). . Die Popularität von WIMPs ist jedoch leicht übertrieben, und andere Arten von Partikeln der dunklen Materie, die sich Theoretiker seit vielen Jahren vorgestellt haben, sind durchaus in der Lage, alles Notwendige zu tun.

Ernstere Bedenken sind, dass das Signal nicht nur vom Zentrum der Galaxie kommt, sondern auch vom Rand des Erdglieds und möglicherweise von der Sonne. Ein solches Verhalten aus der Vernichtung der Dunklen Materie ist nicht zu erwarten. Und die Tatsache, dass dieses Signal an so seltsamen Orten auftritt, an denen es nicht erwartet wurde, kann bedeuten, dass dies alles nur ein nicht offensichtliches Problem mit dem Fermi-Photonendetektor ist. Niemand weiß es genau.

Ein weiteres Beispiel. In dem Experiment mit dem magnetischen Alpha-Spektrometer (Alpha Magnetic Spectrometer, AMS), das auf der ISS betrieben wird, wurde kürzlich eine große „Entdeckung“ angekündigt (obwohl sie in den meisten Pressemitteilungen vergessen haben zu erwähnen, dass sie lediglich bestätigt haben, dass das PAMELA- Experiment bereits eröffnet wurde im Jahr 2008). PAMELA entdeckte und AMS bestätigte und untersuchte viel detaillierter, dass es im Weltraum einen enormen Überschuss an hochenergetischen Positronen gibt, verglichen mit dem, was zu erwarten wäre (Positronen sind Antiteilchen von Elektronen). Für "zusätzliche" Positronen variieren die Energien von 10 GeV bis mindestens 350 GeV - und AMS-Daten gehen nicht weiter.

Es ist möglich, dass diese Positronen aufgrund der Vernichtung von Partikeln der dunklen Materie auftraten. In diesem Fall können es sich jedoch nicht um TM-Partikel des gleichen Typs handeln, wie sie das Fermi-Experiment im Zentrum der Galaxie sieht. Alle TM-Partikel, die für das Signal von AMS verantwortlich sind, hätten eine Masse von mehr als 350 GeV / s ² , um 350 GeV-Energiepositronen zu emittieren. Wenn die Photonen, die Fermi sieht, genau TM-Partikel produzieren, werden solche Partikel niemals würde ein Positron mit Energien über 135 GeV erzeugen. Dies folgt nur aus der Energieeinsparung; Wenn die Masse jedes der beiden vernichtenden TM-Teilchen 135 GeV / s ² beträgt und sie sich langsam genug bewegen, wodurch ihre Bewegungsenergie klein genug ist, können die bei der Vernichtung erhaltenen Elektronen und Positronen keine Energie größer als 135 GeV haben. Fermi und AMS können also nicht beide die Auswirkungen des Vorhandenseins von TM sehen - mindestens einer von ihnen sieht etwas anderes.

Wie sie bereits 2008 sagten (und Experimentatoren mit AMS geben dies gerne zu), können diese Positronen, die PAMELA damals und heute AMS sah, durch astrophysikalische Effekte erzeugt werden, beispielsweise durch einen nahe gelegenen Pulsar (einen schnell rotierenden Stern mit) starkes Magnetfeld, das als natürlicher Teilchenbeschleuniger dienen und eine Quelle für zusätzliche Elektron-Positron-Paare werden kann). Und wie jeder seit 2008 weiß (und dass Experimentatoren mit AMS die Unklugheit hatten, dies nicht zuzugeben), können die einfachsten Neutralinos, die von Theorien mit Supersymmetrie (oder anderen Weichen) vorhergesagt werden, keine so starken Signale erzeugen, es sei denn, es gibt noch eine unbekannte Kraft, die dazu in der Lage ist Vernichtungsrate erhöhen. Und selbst dann würden wir solche Positronen ohne andere Signale nicht sehen - es sei denn, wir gehen davon aus, dass dieses TM zu einer sehr herausragenden Sorte gehört. Herausragende Theorien sind auf ihre Weise cool, aber TM-Partikel in solchen Angelegenheiten sind keine einfachen Weicheier mit Supersymmetrien, die in Artikeln über AMS erwähnt wurden.

Dunkle Materie unter den Füßen

Fahren wir fort. Erinnert sich jemand an das DAMA-Projekt (jetzt DAMA / LIBRA )? Sie behaupten, es gibt Hinweise auf die Existenz dunkler Materie seit mehr als zehn Jahren! Und sie haben wirklich ein Signal! Vielleicht aus dunkler Materie oder vielleicht auch nicht.

Sie sehen, eine der zweifelhaften Möglichkeiten, TM zu finden, besteht darin, sich von ihm finden zu lassen. Legen Sie einfach eine Scheibe oder ein Fass sorgfältig ausgewählten und raffinierten Materials tief unter der Erde in den Schacht. (Der Abstieg in den Boden reduziert die Auswirkungen der kosmischen Strahlung - energiereiche Teilchen aus dem Weltraum - erheblich.) Da HM durch normale Materie hindurchtreten und selten Spuren hinterlassen sollte, fließt ein Strom von HM-Partikeln direkt durch den Stein, in den Schacht und durch den Materialzylinder. Und wenn Sie sehr, sehr geduldig sind, kann eines dieser TM-Partikel mit dem Atomkern in Ihrem Material kollidieren, und dieser Tritt kann so laut werden, dass Sie ihn erkennen können, wenn Sie ein kniffliges Experiment entwickelt haben. Genau das machen DAMA, XENON, CoGeNT, CRESST, CDMS und eine Reihe anderer Experimente - und das schon seit geraumer Zeit.



Aber das zu tun ist schwieriger als zu sagen. Radioaktivität - ein Prozess, bei dem ein Atomkern seinen Typ durch Ausspucken eines oder zweier hochenergetischer Partikel ändert - kann die Auswirkungen eines TM-Partikels nachahmen. (Ein Prozess, der Ihr „Signal“ nachahmt - das Sie zu erkennen versuchen -, wird als „Hintergrund“ bezeichnet.) Der Hintergrund beim Erkennen von TM-Partikeln ist oft stärker als das Signal selbst, und Experimentatoren müssen alle möglichen Hintergründe sehr, sehr gut verstehen, wenn sie etwas so Kleines erkennen möchten.

Aber jetzt, zurück zu DAMA, was kann man aus einer Reihe von verdammt genialen machen? Während des Jahres bewegt sich die Erde um die Sonne und ihre Geschwindigkeit im Verhältnis zur Durchschnittsgeschwindigkeit der TM-Partikel ändert sich. Wenn Sie an einem windigen Tag auf dem Ringweg radeln, weht Ihnen manchmal der Wind ins Gesicht und manchmal drückt er Sie in den Rücken. So wie sich die Stärke des Windes ändert, wenn Sie die Strecke umrunden, ändert sich auch die Geschwindigkeit des „Windes“ vom TM im Laufe des Jahres. Und wenn die Wahrscheinlichkeit, dass die TM-Partikel mit dem Kern interagieren, von der relativen Geschwindigkeit der beiden abhängt (was in vielen Varianten des TM erfolgt), sollte die Anzahl der im Experiment gemessenen Kollisionen mit dem TM mit dem Zyklus pro Jahr zunehmen und abnehmen .



Anstatt nur nach Anzeichen mehrerer Kollisionen zu suchen, die möglicherweise auf eine nicht verstandene Radioaktivität zurückzuführen sind, müssen Sie möglicherweise im Laufe eines Jahres nach Variationen in der Anzahl der Kollisionen suchen! Wenn Sie sich davon überzeugen, dass Radioaktivität und andere Hintergründe allein keinen Jahreszyklus haben können, sind Schwankungen dieser Art ein klarer Beweis für TM. So wie ein Radfahrer bei starkem Wind einen sehr starken Wind spürt, wenn er auf ihn zufährt, und schwächer, wenn er in die andere Richtung fährt, so bewegt sich die Erde im Orbit um die Sonne im Laufe des Jahres mit einer höheren oder niedrigeren Geschwindigkeit im Vergleich zu nahe gelegenen TM-Partikeln . Dies kann zu einer Fixierung der Anzahl von Kollisionen mit TM führen, die sich im Laufe des Jahres zyklisch ändern.

Obwohl es schön klingt, können sich Hintergrundphänomene im Laufe des Jahres tatsächlich zyklisch ändern, möglicherweise aufgrund der Tatsache, dass kleine Temperaturänderungen dazu führen können, dass mehr oder weniger radioaktive Gase in der Mine zirkulieren, oder so ähnlich . Obwohl die Daten von DAMA / LIBRA eindeutig Schwankungen in der Anzahl der Kollisionen von Kandidatenpartikeln für TM zeigen, ist immer noch nicht ganz klar, ob dies TM ist. Bisher konnte niemand seine Signale bestätigen, aber niemand konnte beweisen, dass dies ein Fehlalarm ist.

DAMA / LIBRA ist nicht der einzige. Kürzlich berichtete das CoGeNT-Experiment über die Entdeckung eines Überschusses möglicher Kollisionen, deren Anzahl wie die von DAMA / LIBRA im Laufe des Jahres schwankt.

Und das ist noch nicht alles. Das CRESST-Experiment berichtete auch über die Fixierung einer Reihe von Kandidaten für TM-Partikel, die auf Atomkerne in ihren Detektoren treffen. Es gibt mehrere wahrscheinliche Effekte, die Kandidaten dieses Typs hervorbringen können. Wenn Sie jedoch alle diese Effekte addieren, erhalten Sie ungefähr 42 Kandidaten, und sie haben bereits 67 gesehen, was mehr als 4 Standardabweichungen entspricht. Dies ist ein ziemlich starker Beweis dafür etwas fehlt.

Zum Schluss noch ein Hinweis: Im CDMS-Experiment wurden drei Kandidaten für TM-Kollisionen in ihren Siliziumstücken fixiert. Sie haben Detektoren auf Silizium- und Germaniumbasis. Ein neues Ergebnis wurde basierend auf Daten von Siliziumdetektoren erhalten. Da der Siliziumkern viel leichter als der Germaniumkern ist, reagiert Silizium besser auf Kollisionen mit leichten HM-Partikeln. Und es ist sehr interessant!

Aber wie sie sorgfältig sagen, ist es kaum möglich, das Ergebnis als entscheidend zu bezeichnen. Dies ist mit ziemlicher Sicherheit nicht das Ergebnis von Hintergrundeffekten. Auf den ersten Blick ist dies nicht offensichtlich; Die ihnen bekannten Hintergründe sollten im Durchschnitt nur die Hälfte der Kollisionen ausmachen, und die Möglichkeit, diese drei Ereignisse zu erhalten, liegt bei etwa 5% - nicht ganz unglaublich, wenn man bedenkt, wie viele unwahrscheinliche Dinge im Experiment passieren können. Berücksichtigt man jedoch die Energien dieser Kollisionskandidaten, sinkt die Wahrscheinlichkeit auf 0,2%. Und dann wird die Sache ernst. Aber denken Sie daran: All dies bedeutet, dass entweder (a) sie das TM entdeckt haben oder (b) sie die noch unbekannte Hintergrundaktivität entdeckt haben, die ein falsches Signal gibt.

Wenn Sie alle vier dieser Experimente zusammenfassen, sind die Nachrichten gut und schlecht. Die gute Nachricht ist, dass alle vier Experimente - DAMA / LIBRA, CRESST, CoGeNT und CDMS - TM-Partikeln entsprechen, die sich irgendwo im Bereich von 10 GeV / s ^{2 befinden} .

Eine mäßig schlechte Nachricht ist, dass die vier Dimensionen nicht konsistent sind. Ausgehend von der Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung von TM-Partikeln einer bestimmten Masse stimmen die folgenden Experimente nicht überein und variieren bis zu zehnmal. Dies ist in der folgenden Abbildung (aus CDMS- Arbeiten ) dargestellt, in der gezeigt wird, dass sich die vier verschiedenen Banden, die mit den Beobachtungen der vier Experimente verbunden sind, normalerweise nicht überlappen. Dies bedeutet, dass mindestens zwei dieser Experimente Fehlalarme sein müssen.


Die Abbildung zeigt die zulässigen und nicht akzeptablen Abschnitte (mit einer Genauigkeit von 90%) als Funktion der Masse des TM-Partikels (horizontale Achse) und der Anzahl der Wechselwirkungen mit gewöhnlicher Materie (vertikale Achse). DAMA / LIBRA, CRESST und CoGeNT werden jeweils in Gelb, Braun und Pink angezeigt. Neue CDMS-Ergebnisse sind in Cyan und Blau angegeben. Das schwarze Sternchen ist die beste Annäherung. Beachten Sie, dass es keine Punkte gibt, an denen sich drei oder vier Abschnitte gleichzeitig schneiden würden. In diesem Fall schließen die Analyseergebnisse in den Experimenten XENON10 und XENON100 alle Bereiche aus, die über den hellgrünen und dunkelgrünen Linien liegen, einschließlich aller vier anderen Experimente.

Sehr schlechte Nachrichten ergeben sich aus den Ergebnissen eines anderen Experiments, das (scheinbar) empfindlicher auf TM-Partikel dieses Typs reagieren sollte als jedes andere dieser Experimente. Ich meine den XENON100. Für die meisten Signale im XENON100 mussten viele Kandidatenereignisse auftreten, Dutzende oder mehr. Bisher haben es aber nur zwei gesehen. Und es stellt sich heraus, dass all diese Signale durch das XENON100-Experiment sowie durch eine spezielle Analyse seines Vorgängers XENON10 ausgeschlossen werden. Man kann darüber streiten, dass die Ergebnisse von CoGeNT und CDMS kaum widerlegt werden und daher vielleicht noch ernst genommen werden sollten.

Die ernüchternde Tatsache ist jedoch, dass sich in all diesen unterirdischen Experimenten ein kleiner, nicht aufgezeichneter Hintergrund in Form mehrerer zusätzlicher Kollisionskandidaten mit niedriger Energie manifestieren sollte, die sehr ähnlich dem sein werden, was von Partikeln mit geringer Masse erwartet werden kann.

Wie Professor Juan Collard, Leiter des CoGeNT-Experiments an der Universität von Chicago, vor einigen Jahren auf einer Konferenz im CUNY Science Center in New York sagte, ist es wahrscheinlich eine lange Geschichte, einen unerwarteten Hintergrund nach dem anderen zu entdecken - und diese Geschichte kann weitergehen ziemlich lange, bis TMs tatsächlich, wenn überhaupt, in einem dieser Experimente gefunden werden. Und dies spiegelt sich in den vielen Fehlalarmen wider, die wir in letzter Zeit gesehen haben. Interessanterweise hörte Collard auf, solche Aussagen zu machen, nachdem CoGeNT ein Signal empfangen hatte, das als TM interpretiert werden kann. Aber denk daran, was du gesagt hast, Juan. Wir erinnern uns.

In der Zwischenzeit leben theoretische Physiker wegen solcher Geheimnisse. Das Puzzle! Herausforderung! Erfinde die TM-Theorie, damit CDMS- und CoGeNT-Experimente ihre Auswirkungen leicht erkennen können, XENON100 jedoch nicht! Die Experimente funktionieren unterschiedlich - CDMS und CoGeNT bestehen aus Silizium- bzw. Germaniumstücken, und XENON100 verwendet - eine Überraschung! - ein Fass Xenon. Es gibt bereits viele Arbeiten zu diesem Thema. Höchstwahrscheinlich stellt sich heraus, dass XENON100 richtig ist, während CDMS und CoGeNT Hintergrundinformationen beobachten. Aber vielleicht ist alles genau umgekehrt.

Zusammenfassend: Wir haben mindestens sechs Anspielungen auf die Existenz von TM, die größtenteils nicht miteinander korrespondieren. Der neue CDMS-Hinweis entspricht in etwa CoGeNT. Aber wenn beide das TM sehen, warum beobachtet der XENON100 kein starkes Signal? Alle diese Experimente arbeiten daran, ihre Methoden und Messungen zu verbessern. Wenn sich einige dieser Hinweise als Anzeichen für TM herausstellen, werden wir bald weitere Beispiele für beeindruckende Beweise sehen.