Tinjauan singkat tentang petunjuk keberadaan sinyal materi gelap (dua di antaranya ditemukan di langit, dan empat di bawah tanah), yang dapat berarti bahwa partikel materi gelap ini terlibat dalam sesuatu yang menarik. Beberapa sinyal mungkin ternyata benar, tetapi tidak semua enam, karena beberapa dari mereka saling bertentangan. Ini seharusnya tidak membuat Anda khawatir: situasi serupa benar-benar normal untuk sains maju; Penelitian adalah masalah yang rumit, dan sebagian besar kiasan untuk sesuatu yang luar biasa berubah menjadi fatamorgana - kecelakaan statistik, sampai sekarang keanehan yang tidak diketahui, masalah pengukuran, atau hanya kesalahan sepele. Dalam kasus, misalnya, partikel Higgs, kami memiliki beberapa alarm palsu sampai, akhirnya, alarm itu ternyata benar. Jadi kita harus sabar dan berhati-hati, dan tidak kehilangan harapan; Penemuan jarang terjadi, tetapi terjadi.
Overhead materi gelap
Informasi yang diperoleh dari satelit Fermi mengisyaratkan bahwa aliran foton energi tertentu (sekitar 135 GeV, yaitu, dengan energi massa sekitar 143 kali lebih banyak daripada proton) berasal dari pusat Galaksi. Ini berpotensi menjadi tanda kehadiran partikel materi gelap (harus ada banyak partikel yang bergerak lambat dalam lingkaran di pusat galaksi), yang bertabrakan satu sama lain, memusnahkan dan berubah menjadi foton.
Singkatnya, ia berjalan kira-kira seperti ini: hukum konservasi energi memastikan bahwa energi dua partikel materi gelap yang memusnahkan (sebagian besar direpresentasikan sebagai energi massa, karena partikel materi gelap bergerak sangat lambat melintasi Galaksi) diubah menjadi energi gerak dua foton - oleh karena itu, energi setiap foton sama dengan massa partikel materi gelap dikalikan dengan c
2 .
Apakah saya perlu khawatir tentang kenyataan bahwa sinyal ini mungkin tidak seperti kelihatannya? Masalah kecilnya adalah
WIMP standar (partikel masif yang berinteraksi dengan materi melalui interaksi nuklir lemah) tidak dapat menghasilkan sinyal seperti itu tanpa mengeluarkan sinyal lain yang juga harus kita lihat (misalnya, sejumlah besar proton energi rendah) . Tetapi popularitas WIMPs sedikit berlebihan, dan jenis partikel materi gelap lainnya, yang telah dibayangkan oleh para ahli teori selama bertahun-tahun, cukup mampu melakukan semua yang diperlukan.
Kekhawatiran yang lebih serius adalah bahwa sinyal tersebut tidak hanya datang dari pusat galaksi, tetapi juga datang dari tepi
tungkai bumi, dan mungkin matahari. Perilaku seperti itu dari penghancuran materi gelap tidak bisa diharapkan. Dan fakta bahwa sinyal ini muncul di tempat-tempat aneh di mana itu tidak diharapkan dapat berarti bahwa semua ini hanyalah masalah yang tidak terlihat dengan detektor foton Fermi. Belum ada yang tahu pasti.
Contoh lain. Dalam percobaan dengan spektrometer alfa magnetik (Alpha Magnetic Spectrometer, AMS) yang beroperasi pada ISS, sebuah "penemuan" besar baru-baru ini diumumkan (walaupun mereka lupa menyebutkan dalam sebagian besar siaran pers bahwa mereka hanya mengkonfirmasi bahwa percobaan
PAMELA telah dibuka. pada tahun 2008). PAMELA menemukan, dan AMS mengonfirmasi, dan mempelajari secara lebih rinci bahwa di luar angkasa terdapat kelebihan besar positron berenergi tinggi, dibandingkan dengan apa yang diharapkan (positron adalah antipartikel elektron). Untuk positron "ekstra", energi bervariasi dari 10 GeV hingga setidaknya 350 GeV - dan data AMS tidak bergerak lebih jauh.
Ada kemungkinan bahwa positron ini muncul karena penghancuran partikel materi gelap. Tetapi jika demikian, itu tidak dapat berupa partikel TM dengan jenis yang sama seperti yang dilihat percobaan Fermi di pusat Galaksi. Setiap partikel TM yang bertanggung jawab atas sinyal dari AMS akan memiliki massa lebih dari 350 GeV / s
2 untuk memancarkan 350 positron energi GeV, sedangkan jika foton yang dilihat Fermi menghasilkan partikel TM dengan tepat, maka partikel tersebut tidak akan pernah akan menghasilkan positron dengan energi di atas 135 GeV. Ini hanya mengikuti dari konservasi energi; jika massa masing-masing dari dua partikel TM pemusnahan adalah 135 GeV / s
2 dan mereka bergerak cukup lambat, karena energi gerakannya cukup kecil, elektron dan positron yang diperoleh dalam penghancuran tidak dapat memiliki energi lebih besar dari 135 GeV. Jadi Fermi dan AMS tidak bisa melihat efek dari kehadiran TM - setidaknya satu dari mereka melihat sesuatu yang lain.
Seperti yang mereka katakan di tahun 2008 (dan para peneliti dengan AMS dengan hati-hati mengakui), positron yang dilihat PAMELA saat itu dan apa yang dilihat AMS sekarang dapat dihasilkan oleh efek astrofisika, misalnya, pulsar terdekat (bintang yang berputar dengan cepat medan magnet yang kuat, yang dapat berfungsi sebagai akselerator partikel alami dan menjadi sumber pasangan elektron-positron tambahan). Dan seperti yang diketahui semua orang sejak 2008 (dan bahwa para peneliti dengan AMS memiliki kecerobohan untuk tidak mengakui),
neutralino yang paling sederhana yang diprediksi oleh teori-teori dengan
supersimetri (atau pengecut lainnya) tidak dapat menghasilkan sinyal kuat seperti itu, kecuali masih ada kekuatan yang tidak diketahui yang mampu meningkatkan tingkat pemusnahan. Dan bahkan kemudian, kita tidak akan melihat positron seperti itu tanpa sinyal lain - kecuali kita berasumsi bahwa TM ini milik varietas yang sangat luar biasa. Teori-teori luar biasa keren dengan caranya sendiri, tetapi partikel-partikel TM dalam hal-hal seperti itu bukanlah pengecut sederhana dengan supersimetri yang disebutkan dalam artikel tentang AMS.
Materi gelap di bawah kaki
Mari kita lanjutkan. Adakah yang ingat proyek DAMA (sekarang
DAMA / LIBRA )? Mereka mengklaim ada bukti keberadaan materi gelap selama lebih dari sepuluh tahun! Dan mereka benar-benar memiliki semacam sinyal! Mungkin dari materi gelap, atau mungkin tidak.
Anda lihat, salah satu cara cerdik untuk menemukan TM adalah membiarkannya menemukan Anda. Cukup tempatkan irisan atau laras bahan yang dipilih dengan cermat dan halus di poros jauh di bawah tanah. (Keturunan ke tanah sangat mengurangi efek sinar kosmik - partikel berenergi tinggi dari ruang angkasa). Karena HM harus melewati materi normal, dan jarang meninggalkan jejak, aliran partikel HM akan mengalir melalui batu, ke dalam poros dan melalui tong material. Dan jika Anda sangat, sangat sabar, salah satu partikel TM ini dapat bertabrakan dengan inti atom di dalam materi Anda, dan tendangan ini bisa menjadi cukup keras bagi Anda untuk dapat mendeteksinya jika Anda telah mengembangkan eksperimen yang rumit. Inilah yang dilakukan oleh DAMA, XENON, CoGeNT, CRESST, CDMS, dan banyak eksperimen lainnya - dan mereka telah melakukan beberapa waktu.
Tetapi melakukan ini lebih sulit daripada mengatakan. Radioaktivitas - suatu proses di mana inti atom mengubah jenisnya dengan meludahkan satu atau dua partikel berenergi tinggi - dapat meniru efek dari partikel TM. (Sebuah proses yang meniru "sinyal" Anda - yang coba Anda deteksi - disebut "latar belakang"). Latar belakang dalam mendeteksi partikel TM seringkali lebih kuat daripada sinyal itu sendiri, dan para peneliti perlu memahami semua latar belakang yang mungkin dengan sangat baik jika mereka ingin mendeteksi sesuatu yang sangat kecil.
Tapi sekarang, kembali ke DAMA, apa yang bisa dilakukan dari serangkaian kecerdasan. Selama tahun ini, Bumi bergerak mengelilingi Matahari, dan kecepatannya relatif terhadap kecepatan rata-rata perubahan partikel TM. Seperti jika Anda bersepeda di sepanjang jalur cincin pada hari yang berangin, terkadang angin akan berhembus di wajah Anda dan terkadang itu akan mendorong Anda di belakang. Sama seperti kekuatan angin berubah ketika Anda mengelilingi trek, kecepatan "angin" dari TM berubah sepanjang tahun. Dan jika probabilitas bahwa partikel TM berinteraksi dengan nukleus tergantung pada kecepatan relatif dari keduanya (yang dilakukan dalam banyak varian dari apa TM itu), maka jumlah tabrakan dengan TM yang diukur dalam percobaan harus meningkat dan menurun dengan siklus per tahun .
Jadi, alih-alih hanya mencari tanda-tanda beberapa tabrakan, yang mungkin merupakan akibat dari radioaktivitas yang tidak Anda pahami, Anda mungkin perlu mencari variasi dalam jumlah tabrakan selama setahun! Jika Anda meyakinkan diri sendiri bahwa radioaktivitas dan latar belakang lain saja tidak dapat memiliki siklus tahunan, maka fluktuasi jenis ini adalah bukti nyata TM. Seperti halnya seorang pengendara sepeda di angin yang kuat merasakan angin yang sangat kuat ketika melakukan perjalanan ke arahnya, dan lebih lemah saat bepergian ke arah lain, demikian pula Bumi yang mengorbit di sekitar Matahari bergerak pada kecepatan yang lebih tinggi atau lebih rendah relatif terhadap partikel-partikel terdekat TM selama tahun . Hal ini dapat menyebabkan fiksasi jumlah tumbukan dengan TM, yang berubah secara siklis sepanjang tahun.
Sayangnya, meskipun terdengar indah, fenomena latar belakang sebenarnya dapat berubah secara siklis sepanjang tahun, mungkin karena fakta bahwa perubahan suhu yang kecil dapat menyebabkan lebih banyak atau lebih sedikit gas radioaktif beredar di tambang, atau sesuatu seperti itu . Jadi, meskipun data dari DAMA / LIBRA secara jelas menunjukkan fluktuasi dalam jumlah tabrakan partikel kandidat untuk TM, masih belum sepenuhnya jelas apakah ini adalah TM. Sejauh ini, belum ada yang bisa mengkonfirmasi sinyal mereka, tetapi tidak ada yang bisa membuktikan bahwa ini adalah alarm palsu.
DAMA / LIBRA bukan satu-satunya. Baru-baru ini, percobaan CoGeNT melaporkan penemuan kemungkinan tabrakan berlebih, yang jumlahnya, seperti DAMA / LIBRA, berfluktuasi sepanjang tahun.
Dan itu belum semuanya. Eksperimen CRESST juga melaporkan memperbaiki banyak kandidat untuk partikel TM yang menyerang inti atom dalam detektor mereka. Ada beberapa kemungkinan efek yang dapat memberikan kandidat jenis ini - tetapi, menurut mereka, jika Anda menambahkan semua efek ini bersama-sama, Anda akan mendapatkan sekitar 42 kandidat, dan mereka telah melihat 67, yang lebih dari 4 standar deviasi - ini adalah bukti yang cukup kuat bahwa ada yang hilang.
Akhirnya, petunjuk lain: percobaan CDMS melaporkan memperbaiki tiga kandidat untuk tabrakan TM dalam potongan silikon mereka. Mereka memiliki detektor berbasis silikon dan germanium. Hasil baru diperoleh berdasarkan data dari detektor silikon. Karena inti silikon jauh lebih ringan dari inti germanium, silikon merespons lebih baik terhadap benturan dengan partikel HM yang lebih ringan. Dan itu sangat menarik!
Tetapi, ketika mereka dengan hati-hati menyatakan, hampir tidak mungkin untuk menyebut hasilnya tegas. Ini hampir pasti bukan hasil dari efek latar belakang. Sekilas, ini tidak jelas; latar belakang yang diketahui oleh mereka harus memberikan rata-rata hanya setengah dari tabrakan, dan kemungkinan mendapatkan tiga peristiwa ini sekitar 5% - tidak sepenuhnya tidak dapat dipercaya, mengingat berapa banyak hal mustahil yang dapat terjadi dalam percobaan. Tetapi ketika mereka memperhitungkan energi para kandidat tabrakan ini, probabilitasnya turun menjadi 0,2%. Dan kemudian masalahnya menjadi serius. Tetapi ingat: semua ini berarti bahwa (a) mereka menemukan TM, atau (b) mereka menemukan aktivitas latar belakang yang masih belum diketahui memberikan sinyal palsu.
Jika Anda menggabungkan keempat eksperimen ini, beritanya baik dan buruk. Berita baiknya adalah bahwa keempat percobaan ini - DAMA / LIBRA, CRESST, CoGeNT dan CDMS - sesuai dengan partikel TM yang terletak di suatu tempat di kisaran 10 GeV / s
2 .
Kabar buruknya adalah keempat dimensi itu tidak konsisten; dari kemungkinan interaksi partikel TM dari massa tertentu, berikut dari percobaan tidak bertepatan, dan bervariasi hingga sepuluh kali. Ini ditunjukkan pada gambar di bawah ini (diambil dari
karya CDMS), di mana ditunjukkan bahwa empat pita berbeda yang terkait dengan pengamatan keempat percobaan biasanya tidak tumpang tindih. Ini berarti bahwa setidaknya dua percobaan ini harus merupakan alarm palsu.
Gambar ini menunjukkan bagian yang diizinkan dan tidak dapat diterima (dengan akurasi 90%) sebagai fungsi dari massa partikel TM (sumbu horizontal) dan jumlah interaksi dengan materi biasa (sumbu vertikal). DAMA / LIBRA, CRESST, dan CoGeNT ditampilkan masing-masing dalam warna kuning, coklat, dan merah muda. Hasil CDMS baru diberikan dalam cyan dan biru; tanda bintang hitam adalah perkiraan terbaik. Perhatikan bahwa tidak ada titik di mana tiga atau empat bagian akan berpotongan sekaligus. Dalam hal ini, hasil analisis dalam percobaan XENON10 dan XENON100 mengecualikan semua area yang terletak di atas garis hijau muda dan hijau gelap, yang mencakup keempat percobaan lainnya.Berita yang sangat buruk mengikuti dari hasil percobaan lain, yang seharusnya (tampaknya) lebih peka terhadap partikel TM dari jenis ini dibandingkan dengan eksperimen lainnya. Maksud saya XENON100. Untuk sebagian besar sinyal dalam XENON100, banyak peristiwa kandidat harus terjadi, puluhan atau lebih. Namun sejauh ini hanya dua yang melihatnya. Dan ternyata semua sinyal ini dikecualikan oleh percobaan XENON100, serta oleh analisis khusus pendahulunya, XENON10. Orang dapat berdebat tentang fakta bahwa hasil CoGeNT dan CDMS nyaris tidak disangkal, dan karena itu mungkin mereka harus tetap dianggap serius.
Tetapi fakta yang serius adalah bahwa dalam semua eksperimen bawah tanah ini, latar belakang kecil yang tidak tercatat harus memanifestasikan dirinya dalam bentuk beberapa kandidat tabrakan berenergi rendah, yang akan sangat menyerupai apa yang dapat diharapkan dari partikel bermassa rendah.
Seperti yang dikatakan Profesor Juan Collard, kepala percobaan CoGeNT di University of Chicago, pada konferensi di pusat sains CUNY di New York beberapa tahun yang lalu, kisah tentang menemukan TM kemungkinan akan menjadi sejarah panjang dalam menemukan satu latar belakang yang tak terduga satu demi satu - dan kisah ini dapat berlanjut cukup lama, sampai TMs benar-benar ditemukan, jika sama sekali, dalam salah satu eksperimen ini. Dan ini tercermin dalam banyak alarm palsu yang kita lihat belakangan ini. Menariknya, Collard berhenti membuat pernyataan seperti itu setelah CoGeNT mulai menerima sinyal yang dapat diartikan sebagai TM. Tapi ingat apa yang kamu katakan, Juan. Kami ingat.
Sementara itu, demi misteri seperti itulah fisikawan teoretis hidup. Teka-teki! Tantang! Ciptakan teori TM sehingga percobaan CDMS dan CoGeNT dapat dengan mudah mendeteksi efeknya, tetapi XENON100 tidak bisa! Eksperimen bekerja secara berbeda - CDMS dan CoGeNT masing-masing terdiri dari potongan silikon dan germanium, dan penggunaan XENON100 - kejutan! - per barel xenon. Sudah banyak karya tentang topik ini. Kemungkinan besar ternyata XENON100 benar, sementara CDMS dan CoGeNT mengamati beberapa latar belakang. Tapi, mungkin, semuanya akan justru sebaliknya.
Untuk meringkas: kami memiliki setidaknya enam kiasan untuk keberadaan TM, yang sebagian besar tidak saling bersesuaian. Petunjuk CDMS baru kira-kira cocok dengan CoGeNT; tetapi jika mereka berdua melihat TM, mengapa XENON100 tidak mengamati sinyal yang kuat? Semua percobaan ini bekerja untuk meningkatkan metode dan pengukuran mereka, jadi jika beberapa petunjuk ini benar-benar terbukti sebagai tanda-tanda TM, kita akan segera melihat lebih banyak contoh bukti yang mengesankan.