Eksperyment DAMA nadal "widzi" cząstki ciemnej materii • Igor Iwanow • Wiadomości naukowe o "Elementach" • Fizyka

Eksperyment DAMA nadal „widzi” cząstki ciemnej materii.

Schematyczny widok przekrojowy detektora DAMA / LIBRA z wielowarstwowym ekranem (obraz z omawianego artykułu Aparat DAMA / LIBRA)

Włoski eksperyment DAMA / LIBRA ogłosił wykrycie cząstek ciemnej materii. Eksperci nie mają żadnych wątpliwości co do bezpośrednich danych eksperymentalnych, ale nie wszyscy zgadzają się z ich interpretacją.

Prehistoria

Dane astrofizyczne pokazują, że ogromna większość materii we Wszechświecie istnieje w postaci ciemnej materii. Nazywa się go "ciemnym", ponieważ nie jest "widoczny" ani w falach radiowych, ani w promieniowaniu termicznym, ani w zakresach optycznym, ultrafioletowym lub rentgenowskim. Jego obecność jest widoczna jedynie poprzez grawitacyjny wpływ na widzialną materię – gaz międzygwiezdny, gwiazdy, galaktyki.

To, z czego składa się dokładnie ta ciemna materia, nie jest jeszcze znane, ale astrofizycy skłonni są wierzyć, że jej głównym składnikiem są jakieś ciężkie cząstki, które oddziałują bardzo słabo ze zwykłą materią, małpami (z angielskiego słowa WIMP). słabo oddziałujące ogromne cząstki). Tworzą ogromną chmurę wokół każdej galaktyki, w tym wokół naszej Drogi Mlecznej. Układ słoneczny, poruszając się na swojej galaktycznej orbicie za pomocą gazu WIMP, powinien odczuwać silny wiatr "vimpovy breeze",jak również Ziemi oprócz tego jest jeszcze w ruchu wokół Słońca, podczas gdy jesteśmy na ziemi, czujemy się silniejszy, potem słabsze przeciwnym do przepływu WIMPów, ze okres jednego roku.

Wimps musi oddziaływać bardzo słabo ze zwykłą materią, więc większość z nich swobodnie przechodzi przez Ziemię. Jednak od czasu do czasu nadal WIMPy zderzają się z jądrami atomowymi głęboko w przekazanej im przez niektóre z jego pędu, a czasem jednocześnie wybić elektrony i powodują błyski światła. Częstotliwość takich kolizji zależy od liczby muszek przelatujących przez Ziemię, więc kiedy Ziemia przejdzie przez galaktyczne halo, albo wzrośnie albo spadnie.

Ruch słońca względem halo galaktycznego i ruchu względem Ziemi do Słońca prowadzi do tego, że w dniu 2 czerwca szybkości ruchu Ziemi przez maksimum halo, a 2 grudnia – jest minimalna (obraz autorów raportu pracować na konferencji NO-VE 16 kwietnia 2008)

Właśnie dla takich rocznych wahań częstotliwości błysków w całkowicie ekranowanym wykrywaczu głęboko pod ziemią przez ponad 10 lat uczestnicy projektu DAMA polowali. Projekt składa się z kilku równoległych eksperymentów, aw jednym z nich, DAMA / NaI, faktycznie wykryto takie oscylacje.Jednak raport uczestników eksperymentu dotyczącego bezpośredniego wykrywania WIMP, dokonany przez nich w 2000 roku, został zaakceptowany przez społeczność naukową z wielkim sceptycyzmem – błędy danych były duże, a nawet interpretacja wydawała się dla wielu pochopna.

Eksperyment DAMA / NaI został zmodernizowany i uruchomiony w 2003 r. Pod nową nazwą DAMA / LIBRA. Niedawno pierwsze wyniki tego eksperymentu zostały opublikowane na konferencji Neutrino Oscillations in Venice, a także pojawiły się w archiwum elektronicznych preprintów: pierwsze wyniki z DAMA / LIBRA i połączone wyniki z DAMA / NaI (same wyniki), aparat DAMA / LIBRA ( opis detektora). Nowe dane w pełni potwierdzają wcześniejsze wyniki, ale nie zmniejszyły one sceptycyzmu krytyków.

Eksperyment i jego wyniki

100 km od Rzymu, w głębi Gran Sasso, podziemne laboratorium o tej samej nazwie należy do Włoskiego Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej (INFN). Z powodu naturalnego przesiewania (półtora kilometra skał oddziela go od powierzchni!), Przepływ promieni kosmicznych w nim jest milion razy mniejszy niż na powierzchni Ziemi. Dlatego idealnie nadaje się do przeprowadzania super-czystych eksperymentów z fizyki cząstek elementarnych i fizyki jądrowej.DAMA / LIBRA – jeden z kilkunastu uruchomionych jednocześnie eksperymentów.

W eksperymencie DAMA / LIBRA jako substancja robocza wybrano scyntylatory NaI (Tl) składające się z jodku sodu (NaI) z dodatkiem talku (Tl) jako aktywatora. Każdy scyntylator to kryształowy pręt o masie około 10 kg, w którym VIMP, zderzając się z jądrem substancji, powinien wytworzyć błysk światła. Światło to jest odbierane przez fotopowielacze zamontowane na końcach scyntylatora i przesyła sygnał do komputera.

Fałszywe wyzwalacze mogą być powodowane nie tylko promieniowaniem kosmicznym, ale także izotopami radioaktywnymi występującymi w przyrodzie. Aby uzyskać maksymalną izolację detektora, każdy kryształ scyntylacyjny jest zapakowany w cegłę miedzianą, a klocek z tymi cegłami jest uszczelniony wielowarstwową izolacją z materiałów radioaktywnych. Wnętrze tego pudełka przepłukano azotem radioaktywnym, a stężenie tła najbardziej nieuchwytnych izotopów (na przykład obojętnego gazu radonowego) było stale monitorowane w pobliżu obiektu. Ostatecznie temperatura instalacji była stała do najbliższych tysięcznych stopnia, a czułość detektorów była regularnie monitorowana przez napromienianie znanymi radioizotopami.

Eksperyment DAMA / LIBRA przez ponad cztery lata mierzył w rzeczywistości tylko liczbę i energię błysków scyntylacyjnych wewnątrz detektora. Średnio 1-2 błyski dziennie na kilogram masy scyntylatora i na kiloelektronowolt energii. Ta wartość pozostaje stała w czasie – z wyjątkiem regionu o niskiej energii, 2-6 keV, gdzie obserwuje się zaledwie kilka procent rocznych fluktuacji. Jeśli odejmiemy stały sygnał od wszystkich danych i pozostawimy tylko zmienny komponent, otrzymamy taki wykres.

Częstotliwość działania czujek z upływem czasu w obszarze energii 2-6 keV. Wyświetlana jest tylko zmienna część sygnału pozostałego po odjęciu stałego tła. Wzdłuż osi poziomej oznaczono dzień od rozpoczęcia eksperymentu DAMA / NaI; Pierwsza połowa wykresu zawiera wyniki DAMA / NaI, a po przerwie wyświetlane są dane DAMA / LIBRA. Linia ciągła funkcja sinusoidalna jest pokazywana z okresem dokładnie 1 roku i maksimami 2 czerwca (zdjęcie z omawianego artykułu Pierwsze wyniki z DAMA / LIBRA i połączone wyniki z DAMA / NaI)

Widać wyraźnie, jak poprawiła się dokładność danych po aktualizacji. Jeżeli po pierwszym roku lub dwóch eksperymentów DAMA / NaI nadal istniały wątpliwości,jeśli ten sygnał nie jest przypadkowym odchyleniem, to po 10 rocznych cyklach stało się jasne, że zmienna część sygnału jest zgodna z prawem sinusoidalnym z okresem dokładnie 1 roku i maksimum 2 czerwca. W suchym języku statystyk znaczenie sygnału przekracza 8 odchyleń standardowych, czyli prawdopodobieństwo, że dane te są tylko grą losową, jest znikome.

Tak więc w eksperymencie widać wyraźną jednoroczną modulację częstotliwości odpowiedzi wykrywacza, a nawet sceptycy już z tym nie dyskutują. Pozostaje jednak główne pytanie: jaki jest powód tej modulacji?

Interpretacja wyników

Może się wydawać, że istnieje wiele naturalnych przyczyn niewielkich sezonowych fluktuacji o dowolnej wielkości. Jednak ze względu na wielopoziomową izolację i stałe monitorowanie radioaktywności resztkowej, autorzy uważają, że oscylacji obserwowanych w eksperymencie nie można wytłumaczyć żadnymi "ziemskimi" procesami. Stąd wynika ich konkluzja – wahania te są wynikiem sezonowego osłabienia i intensyfikacji "wiatru vimpovoy".

Czy niektóre niezarejestrowane źródła wciąż mogą prowadzić do podobnego sygnału? Autorzy mówiąże takie źródło jest dla nich nieznane – przynajmniej przez cały ten czas nikt nie zaproponował żadnego innego fizycznego mechanizmu spełniającego wszystkie trzy kryteria wyboru:

  • sygnał powinien zmieniać się ściśle zgodnie z prawem sinusoidalnym z okresem dokładnie 1 roku i maksimum około 2 czerwca;
  • sygnał powinien być obserwowany tylko przy niskich energiach;
  • sygnał powinien być obecny tylko w przypadku pojedynczego detektora (tzn. nie powinny istnieć zdarzenia, w których jednocześnie wyzwalane są dwa lub więcej kryształów).

Wszystkie inne znane źródła naruszałyby którykolwiek z tych warunków. Powiedzmy, że nawet gdyby strumień kosmicznych promieni przełamujących detektory wyzwalane do laboratorium, generowałby zauważalne zmiany zarówno przy niskich, jak i wysokich energiach.

Czego więc nie lubią sceptycy? Faktem jest, że podobne eksperymenty przeprowadzono w innych laboratoriach świata, ale żaden z nich nie odnotował rocznych fluktuacji. To prawda, że ​​niektóre eksperymenty opierały się na różnych metodach wykrywania, w innych nie stosowano jodku sodu, ale inną substancję wrażliwą, a jeszcze inne po prostu nie osiągnęły tak daleko, jak ich wrażliwość na DAMA / LIBRA.Niemniej jednak, eksperci są skłonni uwierzyć, że jeśli vimpy wiatr był tak silny, jak sugerują dane DAMA, to niektóre z innych eksperymentów – na przykład bardzo wrażliwy eksperyment CDMS, który ostatnio doniósł o wyniku negatywnym – zwróci również uwagę na cząstki ciemna materia.

Co można zrobić w tej sytuacji? Przede wszystkim musimy spróbować przeprowadzić niezależny eksperyment w innym laboratorium, ale z tym samym scyntylatorem i w tych samych warunkach. Po drugie, bardzo przydatne byłoby nie tylko zarejestrowanie faktu zderzenia WIMP z rdzeniem, ale także poznanie kierunku, z którego przybył WIMP (patrz na przykład ostatnie wyniki detektora japońskiego NEWAGE). Jeśli okaże się, że preferowany kierunek nadejścia cząstek pokrywa się z kierunkiem ruchu Słońca przez galaktyczną aureolę, stanie się to ważnym argumentem na korzyść słabej interpretacji sygnału – w rzeczywistości żadne ziemskie zjawiska "nie odczują" tego kierunku! Po trzecie, jeśli czułość detektorów jest wielokrotnie poprawiana, wtedy będzie można złapać i dzienna dieta fluktuacje częstotliwości błysków (w końcu Ziemia obraca się również wokół własnej osi).Jeśli występują również z wymaganą amplitudą i fazą, może to być również kluczowy argument przemawiający za wykrywaniem małp.

Źródła:
1) R. Bernabei i in. Pierwsze wyniki z DAMA / LIBRA i połączone wyniki z DAMA / NaI // preprint arXiv: 0804.2741 (17 kwietnia 2008 r.).
2) R. Bernabei i in. Aparat DAMA / LIBRA // preprint arXiv: 0804.2738 (17 kwietnia 2008 r.).
3) R. Bernabei. Pierwsze wyniki z DAMA / LIBRA (plik PowerPoint, 13 Mb) – raport na konferencji "Oscylacje Neutrino w Wenecji».

Zobacz także:
1) Wimping out na blogu fizyki Cocktail Party.
2) O wyniku DAMA-LIBRA na blogu A Quantum Diaries Survivor.

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: :???: :?: :!: