Eksperyment CROWS na znalezienie hipotetycznych ultralekkich cząstek dał wynik negatywny • Igor Iwanow • Wiadomości naukowe na temat "Elementów" • Fizyka

Eksperyment CROWS w poszukiwaniu hipotetycznych ultralekkich cząstek dał wynik negatywny.

Ryc. 1. Kluczowe elementy instalacji CROWS: rezonator fali stojącej (1) i komora detektora chroniona przed falami elektromagnetycznymi (2). Obraz z artykułu w dyskusji Phys. Rev. D

W CERN-ie zakończono eksperyment CROWS, aby wyszukać tak zwane "szepty" – hipotetyczne ultralekkie i bardzo słabo oddziałujące cząsteczki poza modelem standardowym. Podobnie jak w poprzednich eksperymentach, CROWS wykazały ujemny wynik, zamykając w ten sposób kolejny obszar parametrów w modelach Nowej Fizyki. Ogólnie rzecz biorąc, takie eksperymenty pozwalają nam badać nowe oblicza naszego świata i tym samym uzupełniają eksperymenty przy bardzo wysokich energiach.

Fizyka cząstek w skali mniejszej niż wolt elektronowy

Współczesne eksperymenty z fizyką cząstek elementarnych są przeprowadzane w zakresie masy do teraelektrovolt (TeV) i wyższych. Wielu fizyków czeka gdzieś, aby znaleźć pierwsze przejawy fizyki poza Standardowym Modelem. Ale wraz z masami i energiami Teval jest jeszcze inna skala, która przyciąga uwagę naukowców poszukujących Nowej Fizyki – te masy są mniejsze niż wolt elektronowy.

Przede wszystkim żyją tutaj neutrina. Dokładne masy neutrin nie są jeszcze znane, ale ich różnica leży w obszarze millielectronvolts (meV, nie mylić z MeV – mega-elektrycznych woltów).Ponieważ masy neutrin są takie, musi istnieć jakiś mechanizm w teorii interakcji cząstek, który z jakiegoś powodu woli tę skalę. A to, w zasadzie, może oznaczać, że są tu "żywe" i inne cząstki, które są nawet bardziej niewidoczne dla bezpośredniej obserwacji niż neutrino.

Po drugie, słynna stała kosmologiczna, jeśli przekształca się w jednostki energii, również wskazuje region o masach rzędu meV. Jak interpretować tę liczbę w takim kontekście, nie jest do końca jasne, ale nie warto po prostu odrzucić tę możliwą nutę natury.

Po trzecie, w różnych teoriach Nowej Fizyki są ultralekkie cząsteczki o innej naturze. Są to, na przykład, aksjomaty (hipotetyczne cząstki skalarne, które pomagają wyjaśnić, dlaczego naruszenie CP nie przejawia się w silnym oddziaływaniu) lub ultralekkie grawitino, które czasami pojawiają się w teorii supergrawitacji. Wreszcie, ostatnio, takie modele Nowej Fizyki są popularne, w których ciemna materia to nie tylko jeden rodzaj cząstek, ale raczej cały "ciemny świat", w którym nowe "ciemne siły" działają między cząstkami.Te nowe siły, do których zwykła materia jest niewrażliwa, mogą okazać się dalekosiężne, a następnie cząsteczki nośnika odpowiedzialne za nie – które są konwencjonalnie nazywane ciemne fotony – będzie bardzo lekki, z masami w milionach lub mikroelektronach, a nawet mniej.

Wszystkie te odmienne cząstki mają wspólne cechy: małe masy i bardzo słabe (ale niezerowe!) Interakcje ze zwykłą materią lub promieniowaniem. Dlatego często łączy je wspólny termin. kosmyki, od angielskich skrótów WISP, słabo oddziałujących cząstek sub-eV, słabo oddziałujących cząstek cząstek sub-elektronowych (istnieje równoległość z WIMP, WIMP, słabo oddziałującymi masywnymi cząstkami). Szczegółowy przegląd modeli z vispami można znaleźć w najnowszym artykule arXiv: 1311.0029.

Słabe efekty wywołane przez vispis można próbować złapać w specjalnych, raczej egzotycznych eksperymentach (patrz przykłady poniżej). Ponieważ takie cząstki wyraźnie wykraczają poza Model Standardowy, mogą stanowić wskazówkę co do pochodzenia ciemnej materii. Oczywiście nie ma gwarancji, że eksperymenty mające na celu poszukiwanie takich nowych efektów przyniosą pozytywne rezultaty. Ale do tej pory nie było żadnych pozytywnych rezultatów w poszukiwaniu Nowej Fizyki zarówno w zderzaczach, jak i w bezpośrednich poszukiwaniach ciemnej materii.Dlatego sensowne jest przeprowadzanie takich eksperymentów, zwłaszcza jeśli nie wymagają one zbyt dużych inwestycji finansowych. Ostatecznie jednym z zadań fizyki eksperymentalnej jest sprawdzenie wszystkich właściwości naszego świata, do których może dotrzeć ta eksperymentalna fizyka.

Podobne eksperymenty rozpoczęto niedawno w różnych laboratoriach świata, ale wykonano już ponad tuzin z nich (ponownie, patrz przegląd w artykule pod XIV: 1311.0029). CERN bierze również udział w tej działalności, w której od około dziesięciu lat działa improwizowany teleskop z oświetleniem słonecznym CAST. Oprócz tego w 2013 r. Uruchomiono nowy eksperyment czysto laboratoryjny CROWS (skrót od CERN Resonant WISP Search).

W ramach tego eksperymentu, latem i jesienią tego roku, przeprowadzono serię poszukiwań szpiegów, a wyniki zostały niedawno opublikowane. Patrząc w przyszłość, powiemy, że podobnie jak w poprzednich eksperymentach, wyszukiwania te przyniosły również negatywne wyniki – w przeciwnym razie wiadomość ta zostałaby napisana w zupełnie innym tonie. I jak zwykle w takich przypadkach, te negatywne wyniki pozwoliły nam zamknąć kolejny fragment wcześniej dostępnego obszaru parametrów modelu. Te i inne tego typu eksperymenty (jak dotąd) nie mają żadnych rewolucyjnych konsekwencji, ale stanowią wygodną wymówkę, by opowiedzieć o tych niestandardowych metodach studiowania mikroświata,które pojawiają się w narzędziach współczesnej fizyki.

"Blask lasera przez ścianę"

Poszukiwania osi i "ciemnych fotonów" są podzielone na dwie grupy: bezpośrednią i pośrednią. Podobnie jak w przypadku wyszukiwań ciemnej materii, wyszukiwania pośrednie są próbami wykrycia wpływu tych cząstek na obserwacje astrofizyczne, a bezpośrednie są eksperymentami przeprowadzanymi bezpośrednio w laboratorium. Eksperyment CROWS, o którym mowa w tej notatce, dotyczy bezpośrednich wyszukiwań.

Nawet jeśli wizy są dobrymi kandydatami do ciemnej materii, niezwykle trudno będzie zarejestrować je zgodnie z tą samą zasadą, na której poszukuje się ciężkiej ciemnej materii z powodu nieznacznego uwolnienia energii. Dlatego eksperymenty tutaj wyglądają trochę inaczej. Zamiast szukać kosmicznych smug, naukowcy próbują bezpośrednio dostaća następnie wykryte w laboratorium. Można powiedzieć, że celem takich eksperymentów jest raczej udowodnienie istnienia pluje w naturze, a pytanie, jak drugorzędne są one do ciemnej materii.

W jaki sposób można stworzyć i zarejestrować wizę w laboratorium? Tylko ze względu na bardzo słabe oddziaływanie z fotonami.Dzięki tej interakcji, visps i zwykłe fotony mogą czasami zamieniać się w siebie (niezależnie lub w określonych warunkach zewnętrznych), co oznacza, że ​​możesz próbować znaleźć optyka w eksperymentach optycznych.

Na przykład w przypadku osi idea wykrywania jest następująca. Potężna wiązka laserowa przelatuje przez obszar z silnym polem magnetycznym w próżni (ryc. 2). W fizyce klasycznej to zewnętrzne pole magnetyczne w żaden sposób nie wpłynie na wiązkę lasera. Jeśli jednak przyjmiemy, że istnieją asocjacje i wchodzą w interakcje z fotonami, wówczas staje się możliwy proces, w którym laserowy foton w polu magnetycznym zamienia się w aksjomat (efekt Primakova). Oczywiście, istnieje prawdopodobieństwo tego procesu jeden foton jest bardzo mały, ale jeśli było ich dużo w wiązce laserowej, możemy mieć nadzieję na pewien rodzaj "przepływu aksjomatycznego", który występuje w wiązce laserowej w obszarze z polem magnetycznym.

Ryc. 2 Idea eksperymentów mających na celu szukanie osi za pomocą metody "blask przez ścianę": wiązka laserowa przechodzi przez obszar z polem magnetycznym, a czasami fotony (γ) zamieniają się w osie (a). Następnie wiązka laserowa opiera się o ścianę, ale osiada spokojnie przechodzi przez nią.W drugiej sekcji z polem magnetycznym osi można już z powrotem obrócić w fotony, które rejestruje detektor. Obraz z R. Essig i in. Ciemne sektory i nowe, lekkie, słabo sprzężone cząstki

Następnie nieprzezroczysta ściana stoi na ścieżce wiązki laserowej. Wszystkie fotony są pochłaniane, ale osie lecą dalej, nie zauważając ściany – po prostu dlatego, że nie wchodzą w interakcje ze zwykłą materią. Bezpośrednio za ścianą znajduje się ponownie obszar z silnym polem magnetycznym, a w tym regionie jedna z osi ma szansę ponownie przekształcić się w foton – a foton ma dokładnie taką samą częstotliwość.

Schemat eksperymentu wygląda zatem tak: w polu magnetycznym wznosimy całkowicie niezdefiniowaną ścianę i lśnimy w nią potężny promień lasera. Za ścianą znajduje się detektor fotonów i próbuje złapać co najmniej coś. Jeśli ekranowanie z oryginalnego światła laserowego jest dobre i jeśli inne szczegóły techniczne są odpowiednio brane pod uwagę, to nawet słaby, ale niezawodny zarejestrowany sygnał wykrywacza będzie dowodem na korzyść istnienia osi. Aby wyszukać ciemne fotony, schemat ten jest nawet nieco uproszczony. Transformacja w ciemne fotony i grzbiet może nastąpić spontanicznie, bez pomocy zewnętrznej, więc nie ma potrzeby umieszczania całej instalacji w silnym polu.Dla wszystkich takich eksperymentów w literaturze naukowej utkwił śmieszne, ale uczciwe imię "Light Shining Through Wall", czyli eksperymenty na "blask przez ścianę".

KURSY Eksperymentu

Niedawny eksperyment CROWS w CERN nieco zmodyfikował ten standardowy schemat, co pozwoliło uzyskać wyższą czułość (ryc. 3). Po pierwsze, zamiast światła laserowego stosuje się promieniowanie mikrofalowe. Jeśli ciemne fotony są lekkie, nie obchodzi ich, które z materialów się zmaterializują – od optycznych lub mikrofalowych. Ale z taką samą mocą promieniowania będą fotony mikrofalowe więcejniż optyczne, ponieważ energia każdego pojedynczego fotonu mikrofalowego jest tysiące razy mniejsza.

Ryc. 3 Ogólny schemat eksperymentu CROWS. Obraz z artykułu w dyskusji Phys. Rev. D

Oczywiście przy użyciu mikrofal trzeba być jeszcze ostrożniejszym niż przy użyciu promieniowania optycznego. Ostrożne w tym sensie, że z powodu dłuższych fal, mikrofale łatwo blokują przeszkody, wnikają głębiej w materię i łatwiej odbijają od metalowych przedmiotów. Dlatego prosta ściana na ścieżce promienia mikrofalowego nie zejdzie. Zamiast tego sprzęt do wykrywania umieszcza się w hermetycznie zamkniętej komorze, ekranowanej w jak największym stopniu od zewnętrznych pól elektromagnetycznych (patrz: rys. 1).Warto podkreślić, że trzeba chronić się nie tylko przed promieniowaniem samego rezonatora, ale także z licznych źródeł fal gigahercowych, z którymi "eter" wypełnia nasz czas. Z tego powodu oprócz wewnętrznego pokazu pokazanego na ryc. 1, cała instalacja, wraz z zewnętrznymi magnesami tworzącymi silne pole magnetyczne, została otoczona inną osłoną elektromagnetyczną. Wreszcie, nawet przeniesienie danych z czujnika do analizatora i digitalizatora sygnału nie zostało zignorowane. Przeprowadzono go nie za pomocą metalowych linii koncentrycznych, ale za pomocą włókien; Tak więc ostatnia możliwość promieniowania mikrofalowego "wycieku" do ekranowanej objętości lub w inny sposób wpłynęła na uchwycone dane została odcięta.

Takie środki ostrożności zostały podjęte w ogóle dla dobra kleszcza. Warto przypomnieć historię już zapomnianą dzięki rewelacyjnemu wynikowi eksperymentu PVLAS, którego przyczyną, jak się okazało kilka lat później, były pasożytnicze pola elektromagnetyczne, które "wczołgały się" do komory nagrywającej.

Po drugie, dwa kluczowe elementy KRZYWÓW – emiter i detektor – znajdują się wewnątrz rezonatorów mikrofalowych (ośmiokątów na ryc. 3).Są to dwie zamknięte cylindryczne komory o wymiarach około 10 na 15 cm, wykonane również w CERN, które skutecznie odbijają mikrofale i tym samym utrzymują je w komorze. Rezonator jest wygodny w tym, że pozwala pompować falę, gromadzić fotony, nie pozwala im odlecieć natychmiast. Rezonator jakby zmusza foton do kolejnych prób przekształcenia się w pajęczyny, a także zwiększa prawdopodobieństwo zamiany visps z powrotem na fotony.

Wreszcie, w takich eksperymentach zawsze istnieje niebezpieczeństwo, że nie zobaczymy efektu z powodu jakiegoś defektu instrumentalnego. Aby uniknąć tego irytującego niedopatrzenia, eksperymentatorzy dostarczyli sygnał testowy. Bezpośrednio w tej samej kamerze, w której zainstalowano czujnik, przyniosły one prostą antenę i emitowały bardzo słabą falę o częstotliwości nieznacznie różnej od pożądanej rezonansowej podczas całej sesji – tylko po to, aby nie blokować pożądanego promieniowania.

Wyniki CROWS

W ramach eksperymentu CROWS przeprowadzono kilka sesji trwających 10-30 godzin ciągłej pracy. Przez cały ten czas odczyty były pobierane z czułego czujnika pól elektromagnetycznych wewnątrz strefy ekranowanej.Oczywiście, każdy detektor ma nieuniknione szumy wewnętrzne, więc można powiedzieć, że fizycy dosłownie zarejestrowali odgłosy detektora przez kilka godzin. Jednak taka długa sekwencja odczytów umożliwiła z bardzo dużą dokładnością przeprowadzenie analizy widmowej tych hałasów i wybranie dokładnie częstotliwości rezonansowej, przy której emiter pracował poza komorą.

Typowy wykres gęstości widmowej czujnika przedstawiono na rys. 4. Po lewej stronie znajduje się ogólny widok gęstości widmowej w pobliżu częstotliwości rezonansowej, w środku – wąski zakres częstotliwości w pobliżu częstotliwości sygnału testowego, po prawej – wąski obszar w pobliżu częstotliwości rezonansowej. Sygnał testowy, pomimo jego słabości, jest widoczny, co wskazuje na niezawodne działanie całego systemu rejestracji i analizy, ale nic nie jest widoczne na częstotliwości rezonansowej. Oznacza to, że pomimo wszystkich wysiłków w tym eksperymencie nie zarejestrowano żadnych Szeptów.

Ryc. 4 Widmowa gęstość mocy według odczytów czujników zarejestrowanych podczas 10-godzinnej sesji. Po lewej: ogólny widok gęstości widmowej w obszarze plus lub minus 1 kHz od częstotliwości środkowej 1739990400 Hz; Pozycje częstotliwości sygnału testowego i częstotliwości rezonansowej są oznaczone jako ftest i fsys. Widmo to jest również pokazane w wąskim obszarze ± 0,7 mHz w pobliżu częstotliwości sygnału testowego (w środku) i w pobliżu częstotliwości rezonansowej (po prawej). Obraz z artykułu w dyskusji Phys. Rev. D

W tych suchych liczbach i nudnych harmonogramach jest kilka imponujących postępów technicznych. Najpierw zwróć uwagę na skalę częstotliwości. Częstotliwość rezonansowa fali wynosiła w przybliżeniu 1,7 GHz (dokładna liczba jest pokazana na wykresach), a gęstość widmowa mierzona była w krokach co 30 mikroherców (!), To znaczy dziesiątek bilion razy mniej niż częstotliwość nośna. Nawet przy tak małym stopniu dyskretyzacji widmo nie jest "rozmazane": szum jest nadal czystym szumem, a sygnał testowy jest wąskim szczytem o szerokości jednego punktu.

Po drugie zwróć uwagę na skalę skali pionowej (jest to wskazane po lewej). Typowe wartości widma mocy wynoszą -220 dBm. Ten standard jednostki miary radiowej pokazuje, ile zarejestrowana moc jest niższa niż poziom odniesienia wynoszący 1 miliwat; -220 dBm oznacza "22 rzędy wielkości mniej niż 1 mW", czyli jest to moc widmowa około 10-25 W. Moc promieniowania mikrofalowego, która została wpompowana do rezonatora, wynosiła około 40 watów w opisanych eksperymentach.Tak więc eksperymenty wykazały, że nawet jeśli promieniowanie mikrofalowe wnika do zamkniętej komory z powodu jakiegoś mechanizmu, skuteczność tego przecieku nie przekracza 10-26.

Co więcej, ta wartość jest ponownie obliczana w limicie wielkości związku między fotonami i vispami i jest wykreślana na wykresie. Na rys. 5 pokazuje ten wynik dla teorii z ciemnymi fotonami. Szereg szarych obszarów odpowiada wcześniejszym eksperymentom, a wynik KRZYŻÓW jest wyświetlany na niebiesko. Najwyższą czułość uzyskano przy hipotetycznej masie ciemnego fotonu około 11 μeV, która w przybliżeniu odpowiada energii pojedynczego fotonu mikrofalowego. Tutaj CROWS poprawiły wynik poprzednich eksperymentów niemal o rząd wielkości.

Ryc. 5 Regiony dwóch parametrów hipotetycznych ciemnych fotonów, zamknięte w różnych eksperymentach: ich masa wyrażona w woltach elektronowych i parametr mieszania χ, który charakteryzuje połączenie między nimi a zwykłymi fotonami. Pokazano obszar objęty nowym eksperymentem CROWS na niebiesko. Obraz z artykułu w dyskusji Phys. Rev. D

W przypadku osi, ograniczenie uzyskane przez CROWS nie było tak znaczące; tam jest jeszcze gorszy od innych eksperymentów,w szczególności eksperyment CERN CAST. Jednak wśród wszystkich czysto laboratoryjnych instalacji, CROWS stała się rekordzistą w zakresie czułości.

Autorzy zauważają, że ten eksperyment wciąż ma miejsce do wzrostu. Możesz jeszcze bardziej rozszerzyć sesje zapisu danych, możesz zmniejszyć częstotliwość promieniowania (zwiększając stężenie fotonów), zwiększyć długość rezonatora (zwiększając prawdopodobieństwo konwersji fotonu na obraz) i ostatecznie podnieść wartość pola magnetycznego (do tej pory eksperyment wykorzystał magnes nadprzewodzący 3 tesli był częścią konwencjonalnej jednostki MRI i był wynajmowany na Uniwersytecie w Genewie). Wszystko to sprawi, że ten eksperyment będzie jeszcze bardziej wrażliwy na hipotetyczną wizję, zwłaszcza na osi.

Źródło: M. Betz i in. Pierwsze wyniki badania CEWS pod kątem słabej interakcji cząstek rezonansu jądrowego CERN // Phys. Rev. D 88, 075014 (2013); Artykuł jest dostępny jako e-print arXiv: 1310.8098.

Zobacz także:
1) R. Essig i in. Ciemne sektory i nowe, lekkie, słabo sprzężone cząstki // e-print arXiv: 1311.0029 [hep-ph], recenzja przygotowana na spotkanie Snowmass-2013.
2) J. Jaeckel, A. Ringwald. Niskoenergetyczna granica fizyki cząstek elementarnych // Ann. Rev. Nucl. Część. 60, 405 (2010); Recenzja jest dostępna jako e-print arXiv: 1002.0329.
3) Ultralekkie cząstki ciemnej materii, problem z "Elementami".

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: