Źródło zdjęcia: Fermilab
Na podstawie pierwszych danych z podziemnego obserwatorium w Północnej Minnesocie naukowcy z Kriogenicznego Poszukiwania Ciemnej Materii spoglądali z większą wrażliwością niż kiedykolwiek wcześniej w podejrzane królestwo WIMPS. Obserwacja słabo oddziaływujących masywnych cząstek może rozwiązać podwójną tajemnicę ciemnej materii w skali kosmicznej i supersymetrii w skali subatomowej.
Wynik CDMS II, opisany w artykule przesłanym do Physical Review Letters, pokazuje z 90-procentową pewnością, że szybkość interakcji WIMP z masą 60 GeV musi być mniejsza niż 4 x 10-43 cm2 lub około jednej interakcji co 25 dni na kilogram germanu, materiału w detektorze eksperymentu. Ten wynik mówi badaczom więcej niż kiedykolwiek wcześniej o WIMPS, jeśli istnieją. Pomiary z detektorów CDMS II są co najmniej czterokrotnie bardziej czułe niż najlepszy poprzedni pomiar oferowany przez eksperyment EDELWEISS, podziemny europejski eksperyment pod Grenoble we Francji.
„Pomyśl o tej zwiększonej czułości jak o nowym teleskopie o dwukrotnej średnicy, a tym samym czterokrotnie większej kolekcji światła niż poprzedni” - powiedział Blas Cabrera z Uniwersytetu Stanford, współpracownik CDMS II. „Jesteśmy teraz w stanie znaleźć sygnał, który jest zaledwie o jedną czwartą tak jasny, jak wcześniej. W ciągu najbliższych kilku lat oczekujemy poprawy naszej wrażliwości o współczynnik 20 lub więcej ”.
Wyniki zostały przedstawione na kwietniowym spotkaniu American Physical Society w dniach 3 i 4 maja w Denver przez Harry'ego Nelsona i doktoranta Joela Sandersa z University of California-Santa Barbara oraz przez Gensheng Wanga i Sharmilę Kamat z Case Western Reserve University.
„Wiemy, że ani nasz standardowy model fizyki cząstek, ani nasz model kosmosu nie jest kompletny” - powiedział rzecznik CDMS II Bernard Sadoulet z University of California w Berkeley. „Ten konkretny brakujący element pasuje do obu puzzli. Ten sam kształt widzimy z dwóch różnych kierunków. ”
WIMP, które nie są obciążone, są badaniem sprzeczności. Podczas gdy fizycy spodziewają się, że mają około 100 razy masę protonów, ich upiorna natura pozwala im prześlizgnąć się przez zwykłą materię, pozostawiając zaledwie ślad. Termin „słabo oddziałujący” nie odnosi się do ilości energii zdeponowanej podczas interakcji z normalną materią, ale raczej do faktu, że oddziałują one niezwykle rzadko. W rzeczywistości aż sto miliardów WIMP mogło przepłynąć przez twoje ciało podczas czytania pierwszych kilku zdań.
CDMS II, zatrudniający 48 naukowców z 13 instytucji oraz 28 innych pracowników inżynierii, personelu technicznego i administracyjnego, finansowany jest z Biura Nauki Departamentu Energii USA, z Astronomy and Physics Division of National Science Foundation oraz z instytucji członkowskich. Fermi National Accelerator Laboratory z DOE zapewnia zarządzanie projektami dla CDMS II.
„Natura ciemnej materii ma fundamentalne znaczenie dla naszego zrozumienia formowania się i ewolucji wszechświata”, powiedział dr Raymond L. Orbach, dyrektor Biura Nauki DOE. „Eksperyment ten nie mógłby się powieść bez aktywnej współpracy Biura Nauki DOE i National Science Foundation”.
Michael Turner, zastępca dyrektora ds. Matematyki i nauk fizycznych w NSF, opisał identyfikację składnika ciemnej materii jako jednego z wielkich wyzwań zarówno w astrofizyce, jak i fizyce cząstek.
„Ciemna materia łączy wszystkie struktury we wszechświecie - w tym naszą własną Drogę Mleczną - i nadal nie wiemy, z czego zbudowana jest ciemna materia” - powiedział Turner. „Hipotezą roboczą jest to, że jest to nowa forma materii - która, jeśli jest poprawna, rzuci światło na wewnętrzne działanie sił elementarnych i cząstek. Dążąc do rozwiązania tej ważnej zagadki, CDMS jest teraz na czele stawki, a jeszcze jeden czynnik 20 wrażliwości jeszcze nie nadejdzie. ”
Ciemna materia we wszechświecie jest wykrywana na podstawie jej grawitacji we wszystkich skalach kosmicznych, od wzrostu struktury we wczesnym wszechświecie po stabilność dzisiejszych galaktyk. Dane kosmologiczne z wielu źródeł potwierdzają, że ta niewidzialna ciemna materia stanowi ponad siedem razy więcej niż zwykła widzialna materia formująca gwiazdy, planety i inne obiekty we wszechświecie.
„Coś tam uformowało galaktyki i utrzymuje je dzisiaj razem, i nie emituje ani nie pochłania światła”, powiedział Cabrera. „Masa gwiazd w galaktyce stanowi zaledwie 10 procent masy całej galaktyki, więc gwiazdy są jak lampki choinkowe zdobiące salon dużego ciemnego domu”.
Fizycy uważają również, że WIMP mogą być jak dotąd nieobserwowanymi cząsteczkami subatomowymi zwanymi neutrino. Byłyby to dowody na teorię supersymetrii, wprowadzając intrygującą nową fizykę poza dzisiejszy standardowy model podstawowych cząstek i sił.
Supersymetria przewiduje, że każda znana cząstka ma supersymetrycznego partnera o właściwościach komplementarnych, chociaż żaden z tych partnerów nie został jeszcze zaobserwowany. Jednak wiele modeli supersymetrii przewiduje, że najlżejsza supersymetryczna cząstka, zwana neutrino, ma masę około 100 razy większą niż masa protonu.
„Teoretycy wymyślili wszystkich tak zwanych„ supersymetrycznych partnerów ”znanych cząstek, aby wyjaśnić problemy w najmniejszych skalach odległości”, powiedział Dan Akerib z Case Western Reserve University. „W jednym z tych fascynujących połączeń bardzo dużych i bardzo małych najlżejszym z tych superpartnerów może być brakujący element układanki do wyjaśnienia tego, co obserwujemy na bardzo dużych skalach odległości”.
Zespół CDMS II ćwiczy „podziemną astronomię” z detektorami cząstek znajdującymi się prawie pół mili pod powierzchnią ziemi w byłej kopalni żelaza w Soudan w stanie Minnesota. 2341 stóp skorupy ziemskiej osłania promienie kosmiczne i wytwarzane przez nie cząstki tła. Detektory wykonane są z germanu i krzemu, półprzewodników o podobnych właściwościach. Detektory są schładzane z dokładnością do jednej dziesiątej stopnia absolutnego zera, tak zimno, że ruch molekularny staje się znikomy. Detektory jednocześnie mierzą ładunek i wibracje wytwarzane przez interakcje cząstek w kryształach. WIMPS zasygnalizuje ich obecność, uwalniając mniej ładunku niż inne cząstki dla tej samej ilości wibracji.
„Nasze detektory działają jak teleskop wyposażony w filtry, które pozwalają astronomom odróżnić jeden kolor światła od drugiego”, powiedział kierownik projektu CDMS II Dan Bauer z Fermilab. „Tylko w naszym przypadku staramy się odfiltrować konwencjonalne cząstki na rzecz WIMPS z ciemnej materii”.
Fizyk Earl Peterson z University Minnesota nadzoruje podziemne laboratorium Soudan, które jest także domem dla długofalowego eksperymentu neutrin Fermilab, głównego wyszukiwania oscylacji neutralnych wtryskiwaczy.
„Jestem podekscytowany znaczącym nowym wynikiem z CDMS II i gratuluję współpracy”, powiedział Peterson. „Cieszę się, że wyposażenie laboratorium Soudan przyczyniło się do sukcesu CDMS II. Szczególnie cieszę się, że praca Fermilab i University of Minnesota w rozbudowie Soudan Laboratory zaowocowała wspaniałą nową fizyką ”.
Gdy CDSMII będzie poszukiwać WIMP w ciągu najbliższych kilku lat, albo ciemna materia naszego wszechświata zostanie odkryta, albo wykluczona zostanie szeroka gama modeli supersymetrycznych. Tak czy inaczej, eksperyment CDMS II będzie odgrywał główną rolę w pogłębianiu naszego zrozumienia fizyki cząstek i kosmosu.
Instytucje współpracujące z CDMS II to Brown University, Case Western Reserve University, Fermi National Accelerator Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, National Institutes of Standards and Technology, Princeton University, Santa Clara University, Stanford University, University of California-Berkeley, the University of California-Santa Barbara, University of Colorado w Denver, University of Florida i University of Minnesota.
Fermilab jest krajowym laboratorium DOE Office of Science prowadzonym na podstawie umowy przez Universities Research Association, Inc.
Oryginalne źródło: Fermilab News Release
