Nowe dane z eksperymentu CoGeNT nadal wskazują na rejestrację cząstek ciemnej materii • Igor Ivanov • Wiadomości naukowe na temat "elementów" • Fizyka, astrofizyka

Nowe dane z eksperymentu CoGeNT nadal wskazują na rejestrację cząstek ciemnej materii

Ryc. 1. Detektor koherentny otoczony blokami ekranującymi ołowiu pierwszego poziomu. Pomimo niewielkich rozmiarów, jest również ważnym graczem w poszukiwaniu ciemnej materii ze względu na jej wrażliwość na niskie uwalnianie energii i niskie błędy. Obraz z cogent.pnnl.gov

Współpraca firmy CoGeNT – jedna z niewielu wcześniej zgłoszonych możliwych obserwacji cząstek ciemnej materii – zaktualizowała swoje wyniki w oparciu o statystyki zgromadzone w ciągu trzech lat pracy. Nowe dane wciąż pokazują nadmiar sygnału na tle w pożądanym obszarze, a także sezonową charakterystykę modulacji cząstek ciemnej materii nadal obserwuje się. Artykuł opisuje także, jak pogodzić wyniki trzech eksperymentów ze sobą z pozytywnymi wynikami.

Poszukiwanie cząstek ciemnej materii pozostaje jednym z najbardziej dotkliwych problemów na przecięciu fizyki mikroświata i astrofizyki. Dane obserwacyjne wskazują, że powinna istnieć ciemna materia, która powinna "wysadzić" się w postaci wszechprzenikającego wiatru i przez Ziemię, ale nie ma dowodów na jej rejestrację, która przekonałaby wszystkich specjalistów.Na całym świecie przeprowadzanych jest kilkadziesiąt eksperymentów lub przygotowywanych do uruchomienia, które próbują zarejestrować efekt cząstek o nieznanej masie i nieznanej naturze. Co roku pojawiają się nowe wiadomości z różnych grup: niektórzy z nich donoszą o pozytywnym sygnale, inni mówią, że czegoś takiego nie ma (zobacz na przykład nasze najnowsze wiadomości) Eksperyment LUX nie wykrył jeszcze cząstek ciemnej materii, Elementy, 31.10. 2013, a eksperyment CROWS w poszukiwaniu hipotetycznych ultralekkich cząsteczek dał wynik negatywny, "Elements", 11.06.2013). Nie można koordynować tych wiadomości ze sobą. Ta sytuacja oczywiście nie jest satysfakcjonująca i może łatwo zmylić osobę, która jest zaznajomiona z tematem, ale taka jest dzisiejsza rzeczywistość. Fizycy mogą jedynie dokonywać nowych eksperymentów, zwiększać ich czułość, szukać nowych źródeł błędów, a także wymyślać dodatkowe techniki analizowania i interpretowania wyników.

Kilka dni temu w archiwum e-wydruków pojawił się nowy artykuł z eksperymentu CoGeNT – jeden z czterech eksperymentów mających na celu poszukiwanie cząstek ciemnej materii, raportujących pozytywne wyniki (ryc. 1).Jeśli wcześniej współpraca wykorzystała statystyki zgromadzone w ciągu pierwszych 15 miesięcy wykrywacza, teraz statystyki obejmują ponad trzy lata ciągłej pracy. Wnioski z tej współpracy nie uległy zmianie: sygnał jest nadal obecny w danych, w przybliżeniu z tą samą siłą i na tym samym obszarze, sezonowa modulacja sygnału jest obserwowana tak samo jak wcześniej, a żadne inne znane źródła błędów nie mogą być zapisane. Interpretacja w kategoriach cząstek ciemnej materii wskazuje na zakres masy 7-8 GeV. Mimo to nowe dane wciąż nie przekonują większości ekspertów.

Przede wszystkim należy poświęcić kilka słów na technologię wykorzystywaną w detektorze CoGeNT do rejestrowania zdarzeń i oddzielania potencjalnie interesujących kandydatów od tła. W przeciwieństwie do nowoczesnych ciekłych ksenonowych detektorów, w których objętość robocza zbliża się już do tony, CoGeNT pracuje z kryształami germanu o masie zaledwie pół kilograma. Jednak dziwna konstrukcja elektryczna urządzenia, w połączeniu z metodą przetwarzania danych, pozwala nam robić to, czego większość innych czujników nie może zrobić, aby zarejestrować bardzo niskie uwalnianie energii.W CoGeNT próg uwalniania energii, począwszy od którego wykrywacz odróżnia zdarzenie od szumu, wynosi tylko 0,4 keV wobec kilku keV w innych detektorach. Jest to bardzo ważna wartość, ponieważ lekkie cząstki ciemnej materii, gdy zderzają się z jądrem materii, przenoszą do nich bardzo mało energii. Obserwacja zdarzeń "ekstra" należy właśnie do dziedziny uwalniania energii niskiej, poniżej 2 keV, gdzie nie ma innych znanych naukowcom błędów instrumentalnych.

Technicznie elementy detekcyjne CoGeNT są wykonane w postaci cylindrycznego półprzewodnikowego kondensatora. Napięcie jest doprowadzane do styków w nim, pole elektryczne pojawia się w detektorze, a jeśli cząstka ciemnej materii wybije kilka elektronów, będą one gromadzić się na jednym ze styków i dają plusk w elektronice odczytu (patrz problem detektora fotonów na pokrewny temat). Cechą charakterystyczną tego detektora jest to, że jedna elektroda jest ogromna – zajmuje prawie całą cylindryczną powierzchnię, a druga jest malutka, w postaci prawie punktowego kontaktu w środku końca (ryc. 2).

Ryc. 2 Prototyp wczesnego detektora dla eksperymentu CoGeNT. Cała powierzchnia cylindra jest jedną elektrodą, a mała plamka pośrodku powierzchni czołowej zawiera drugą. Obraz z kicp.uchicago.edu

Kolejną ważną kwestią jest umiejętność oddzielania zdarzeń wewnętrznych i powierzchniowych (ryc. 3). Jeśli uwolnienie energii nastąpiło w pobliżu powierzchni detektora, część ładunku mogła po prostu nie dostać się do wnętrza detektora. Z tego powodu detektorowi wydawało się, że zarejestrował zdarzenie o słabym uwalnianiu energii (kandydat na cząstki ciemnej materii), chociaż w rzeczywistości całkowite uwolnienie energii było duże. Jeśli energia zostanie uwolniona na głębokości roboczej, możesz być pewien, że zgromadzona energia jest naprawdę mała.

Ryc. 3 Oddzielenie zdarzeń uwalniania energii w pobliżu powierzchni detektora i jego objętości jest możliwe dzięki różnym formom impulsów elektrycznych podczas odczytu zebranego ładunku: zdarzenia powierzchniowe są bardziej płynne, a bardziej masowe są bardziej gwałtowne

Detektor CoGeNT nie może bezpośrednio śledzić, gdzie dokładnie znajduje się środek uwalniania energii, ale może zmierzyć kształt sygnału elektrycznego, który dotarł do elektrod. Okazuje się, że sygnały generowane przez uwalnianie energii wewnętrznej i powierzchniowej wyglądają bardzo różnie ("szybki" sygnał dla zdarzenia przestrzennego, "wolny" sygnał dla powierzchniowego), co umożliwia rozdzielenie tych dwóch typów z bardzo niewielkim odsetkiem fałszywych trafień.

Przejdziemy teraz do wyników eksperymentu CoGeNT.Pierwszy raport o wyniku dodatnim dotyczy roku 2010. Następnie współpraca zauważyła, że ​​spośród wszystkich danych wyróżnia się region o najmniejszej energii – poniżej 2 keV. Jeśli we wszystkich innych zakresach energii liczba zdarzeń w pełni odpowiada tło i wąskie piki odpowiadające znanym rozpadom elementów radioaktywnych, to po odjęciu zdarzeń tła wyraźnie widać stały wzrost w kierunku niższych energii (ryc. 4). Takiego sygnału można się spodziewać po umiarkowanie lekkich cząsteczkach ciemnej materii. Większość zdarzeń spowodowanych przez takie cząstki doprowadziłaby do bardzo małego uwolnienia energii, poniżej progu czułości, ale "ogon" rozkładu prędkości tych cząstek dałby obserwowany kształt krzywej. Porównanie wykazało, że dane są najlepiej zgodne z masą 7-8 GeV.

Ryc. 4 Wzrost liczby zdarzeń w regionie niskoenergetycznym w danych CoGeNT. Histogram – skumulowany do 2011 roku krzywe w obszarze 1-1,5 keV udział izotopów radioaktywnych. Wstaw pokazuje różne wartości odejmowania wkładów tła od danych krzywe na tej podstawie spełnione są hipotezy dotyczące cząstek ciemnej materii o różnej masie.Obraz z artykułu arXiv: 1106.0650

Następnie w 2011 roku eksperyment CoGeNT odkrył kolejny ważny efekt – sezonową modulację liczby zdarzeń. Warto zauważyć, że efekt ten przejawiał się właśnie w danych niskoenergetycznych. Jednak statystyczna istotność sygnału była niska, a dane obejmowały jedynie 15 miesięcy pracy, ale był to drugi (po DAMA / Waga) raport dotyczący obserwacji tego efektu.

17 marca 2011 r. W kopalni "Sudan" (patrz Kopalnia Soudan) nastąpił pożar, z powodu którego eksperyment został zmuszony do bezczynności przez trzy miesiące. Testy wykazały, że incydent nie wpłynął na wydajność detektora, a latem zestaw danych wznowiono. W rezultacie do końca 2013 r. Fizycy mieli do dyspozycji statystyki obejmujące trzy pełne lata pracy. Pozwoliło nam to zbudować jeszcze dłuższe ramy czasowe.sNie sprawdzaj sekwencji, jeśli objawia się w nich częstotliwość sezonowa.

W nowym artykule, w raporcie o współpracy nadal istnieje modulacja (ryc. 5). Tak jak poprzednio, tylko dane dotyczące zdarzeń o niskiej energii były narażone na roczne fluktuacje i tylko dla zdarzeń, które wystąpiły w objętości detektora, a nie na powierzchni.Wszystko to jest argumentem za tym, że nie można odpisać żadnego szczątkowego efektu zewnętrznych warunków klimatycznych lub z innych podobnych powodów. Prawdę mówiąc, statystyczna istotność rocznej zmienności jest bardzo mała, tylko 2,2 sigma, która nie osiąga nawet poziomu "trzy sigma", dla którego fizycy zaczynają poważnie traktować ten efekt. Jednak ta zmienność nie zmienia się z czasem, więc można mieć nadzieję, że po kilku latach istotność statystyczna wzrośnie do interesującego poziomu.

Ryc. 5 Liczba zdarzeń w danych CoGeNT odpowiadająca uwolnieniu energii 0,5-2 keV w objętości detektora. Statystyki są wyświetlane przez cały czas od rozpoczęcia eksperymentu w grudniu 2009 r. Szary pasek – wymuszony prosty eksperyment z powodu pożaru w kopalni. Dane pokazują sezonową modulację z okresem około jednego roku, pokazaną falista linia. Strzałki w pionie zwróć uwagę na momenty maksymalnych statystyk w eksperymencie DAMA / Libra. Obraz z omawianego artykułu

Artykuł na temat współpracy CoGeNT zawiera jeszcze jeden interesujący szczegół. Zwykle te eksperymenty wyszukiwania ciemnej materii, które dają pozytywne wynikiSą krytykowane na podstawie faktu, że we wszystkich z nich uzyskuje się nieco inne wartości masy i przekroju cząstek ciemnej materii. Jeśli ich sygnał byłby prawdziwym wskaźnikiem ciemnej materii, musieliby podać, w granicach błędów, tę samą wartość. Jednak ze względu na fakt, że różne eksperymenty wykorzystują różne substancje i mają różne progi odpowiedzi, spór między nimi nie jest tak powszechny. Artykuł CoGeNT dostarcza analizy tych danych w różnych modelach rozkładu ciemnej materii w Galaktyce i pokazuje, że istnieje również opcja, w której trzy eksperymenty z wynikiem dodatnim (DAMA, CoGeNT, CDMS) są ze sobą zgodne (Ryc. 6). Tak, oczywiście, pozostaje problem, jak zrozumieć niedawne negatywne wyniki eksperymentu LUX w świetle tego, ale przynajmniej ten punkt krytyki okazuje się sam w sobie niepodważalny.

Ryc. 6 Obszary parametrów masy i przekroju dla oddziaływania cząstek ciemnej materii, które są wskazane przez cztery eksperymenty z pozytywnymi wynikami. W ramach niektórych modeli dystrybucji cząstek ciemnej materii można skorelować trzy wyniki.Jednak te wartości nadal wpadają w rejon zamknięty przez eksperymenty XENON100 i LUX. Obraz z omawianego artykułu

Jednak nowe dane nie zmieniają ogólnego nastroju w tej dziedzinie fizyki. Większość ekspertów uważa, że ​​argumenty "przeciw" do tej pory przewyższają zalety. Oczekiwania wiążą się głównie z nowymi eksperymentami poszukiwania cząstek ciemnej materii i są już w drodze. Na przykład, załóżmy, że dosłownie kilka dni po artykule CoGeNT, pierwsze wyniki eksperymentu DM-Ice17 zostały opublikowane w archiwum e-print. Jest to wykrywacz jodku sodu zainstalowany na biegunie południowym i zamrożony w lód Antarktydy na głębokości dwóch kilometrów, w środku instalacji IceCube na skalę kilometrową. DM-Ice17 nie wykrył jeszcze żadnych podejrzanych sygnałów, ale działa od dwóch lat, nie tylko od cywilizacji, ale także od samych badaczy. Można go więc uznać za pierwszą oznakę przyszłych eksperymentów w poszukiwaniu ciemnej materii w grubości lodu antarktycznego. Ogólnie rzecz biorąc, w ciągu najbliższych kilku lat możemy się spodziewać kilku nowych interesujących wyników z instalacji nowej generacji.Czas pokaże, co pokażą i czy pomogą zrozumieć pozytywne wyniki znane dzisiaj.

Źródło: Współpraca CoGeNT. COGeNT Detektor ciemnej materii Dane / E-Print arXiv: 1401,3295 [astro- gof.CO].

Zobacz także:
Wydaje się, że wiatr z ciemnej materii nadal wieje na ziemię, "Kompyulenta", 01.2.2014.

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