Kreditna slika: Fermilab
S prvimi podatki iz svojega podzemnega opazovalnega urada v severni Minnesoti so znanstveniki kriogenega iskanja temnih snovi z večjo občutljivostjo kot doslej pokukali v domnevno območje WIMPS. Opazovanje šibko delujočih masivnih delcev bi lahko rešilo dvojno skrivnost temne snovi v kozmičnem merilu in super-simetrije na subatomskem merilu.
Rezultat CDMS II, opisan v prispevku, objavljenem v reviji Physical Review Letters, z 90-odstotno gotovostjo kaže, da mora biti stopnja interakcije WIMP z maso 60 GeV manjša od 4 x 10-43 cm2 ali približno ena interakcija vsakih 25 dni na kilogram germanija, materiala v detektorju eksperimenta. Ta rezultat raziskovalcem pove več, kot so kdaj koli vedeli o WIMPS, če obstajajo. Meritve iz detektorjev CDMS II so vsaj štirikrat občutljivejše od najboljših prejšnjih meritev, ki jih ponuja eksperiment EDELWEISS, podzemni evropski eksperiment v bližini Grenobleja v Franciji.
"Pomislite na to izboljšano občutljivost kot na nov teleskop z dvakratnim premerom in s tem štirikrat večjo zbirko svetlobe vseh, ki so prišli pred njo," je dejal svetovni svetovalec CDMS II Blas Cabrera z univerze Stanford. "Zdaj lahko iščemo signal, ki je le četrtino svetel kot katerikoli prej, ki smo ga videli. V naslednjih letih pričakujemo, da bomo izboljšali svojo občutljivost za faktor 20 ali več. "
Rezultate predstavljata na aprilskem srečanju Ameriškega fizikalnega društva 3. in 4. maja v Denveru Harry Nelson in podiplomski študent Joel Sanders iz kalifornijske univerze Santa Barbara ter Gensheng Wang in Sharmila Kamat iz Case Western Reserve University.
"Vemo, da niti naš standardni model fizike delcev niti naš model kozmosa nista popolna," je dejal tiskovni predstavnik CDMS II Bernard Sadoulet s kalifornijske univerze v Berkeleyju. "Zdi se, da ta manjkajoči kos ustreza obe uganki. Vidimo isto obliko iz dveh različnih smeri. "
WIMP, ki nimajo nobenega bremena, so študija v nasprotju. Medtem ko fiziki pričakujejo, da imajo približno 100-krat večjo maso protonov, jim njihova srhljiva narava omogoča, da zdrsnejo po navadni materiji, pri čemer komajda sledijo. Izraz "šibko delujoči" se ne nanaša na količino energije, deponirano pri interakciji z normalno snovjo, temveč na dejstvo, da medsebojno delujejo izjemno redko. Pravzaprav bi lahko kar sto milijard WIMP-jev teklo skozi vaše telo, ko ste brali te prvih nekaj stavkov.
CDMS II z 48 znanstveniki iz 13 institucij in še 28 zaposlenimi v tehniki, tehniki in administraciji deluje s sredstvi Urada ZDA za ameriško ministrstvo za energetiko, oddelka za astronomijo in fiziko Nacionalne fundacije za znanost in institucij članic. Nacionalni akceleratorski laboratorij DOE zagotavlja upravljanje projektov za CDMS II.
"Narava temne snovi je temeljnega pomena za naše razumevanje nastanka in razvoja vesolja," je dejal dr. Raymond L. Orbach, direktor urada DOE. "Ta poskus ne bi mogel uspeti brez aktivnega sodelovanja urada DOE in Nacionalne znanstvene fundacije."
Michael Turner, pomočnik direktorja za matematiko in fizikalne vede pri NSF, je opisal sestavino temne snovi kot enega velikih izzivov tako v astrofiziki kot tudi v fiziki delcev.
"Temna snov združuje vse strukture v vesolju, vključno z našo Mlečno potjo, in še vedno ne vemo, iz česa je temna snov," je dejal Turner. "Delovna hipoteza je, da gre za novo obliko materije, ki bo, če je pravilno, osvetlila notranje delovanje osnovnih sil in delcev. Pri reševanju te pomembne sestavljanke je CDMS zdaj na čelu paketa, še en faktor 20 občutljivosti. "
Temno snov v vesolju zaznamo s pomočjo svojih gravitacijskih učinkov na vseh kozmičnih lestvicah, od rasti strukture v zgodnjem vesolju do stabilnosti galaksij danes. Kozmološki podatki iz mnogih virov potrjujejo, da ta nevidna temna snov predstavlja več kot sedemkrat večjo količino navadne vidne snovi, ki tvori zvezde, planete in druge predmete v vesolju.
"Nekaj tam zunaj je tvorilo galaksije in jih danes drži skupaj in ne oddaja niti ne absorbira svetlobe," je dejal Cabrera. "Masa zvezd v galaksiji je le 10 odstotkov mase celotne galaksije, zato so zvezde kot luči božičnega drevesa, ki okrasijo dnevno sobo velike temne hiše."
Fiziki tudi verjamejo, da bi lahko bili WIMP še vedno neopaženi subatomski delci, imenovani nevtino. To bi bili dokazi za teorijo o super-simetriji, ki bi uvedla intrigantno novo fiziko, ki presega današnji standardni model osnovnih delcev in sil.
Supersimetrija napoveduje, da ima vsak znani delec super-simetrični partner s komplementarnimi lastnostmi, čeprav nobenega od teh partnerjev še ni opazil. Vendar mnogi modeli supersimetrije napovedujejo, da ima najlažji supersimetrični delec, imenovan nevtralino, maso približno 100-krat večjo od protona.
"Teoretiki so si omislili vse te tako imenovane" super-simetrične partnerje "znanih delcev, da bi razložili težave na najmanjši lestvici razdalj," je dejal Dan Akerib z univerze Case Western Reserve. "V eni izmed tistih fascinantnih povezav zelo velikih in zelo majhnih bi lahko bil najslabši od teh superpartnerjev manjkajoči delček sestavljanke za razlago tega, kar opazujemo na največjih lestvicah razdalj."
Ekipa CDMS II izvaja "podzemno astronomijo" z detektorji delcev, ki se nahajajo skoraj pol milje pod zemeljskim površjem, v nekdanjem rudniku železa v mestu Soudan v Minnesoti. 2.341 čevljev zemeljske skorje ščitijo kozmične žarke in delce ozadja, ki jih proizvajajo. Detektorji so narejeni iz germanija in silicija, polprevodniških kristalov s podobnimi lastnostmi. Detektorji so ohlajeni do ene desetine stopinje absolutne ničle, tako hladni, da postane molekulsko gibanje zanemarljivo. Detektorji hkrati merijo naboj in vibracije, ki nastanejo pri interakcijah delcev znotraj kristalov. WIMPS signalizira svojo prisotnost tako, da sprosti manj naboja kot drugi delci za isto količino vibracij.
"Naši detektorji delujejo kot teleskop, opremljen s filtri, ki astronomom omogočajo, da ločijo barvo svetlobe od druge," je dejal vodja projekta CDMS II Dan Bauer iz Fermilaba. "Samo v našem primeru poskušamo filtrirati običajne delce v korist WIMPS temne snovi."
Fizik Earl Peterson z univerze v Minnesoti nadzira Soudan podzemni laboratorij, ki je tudi dom Fermilabovega dolgoletnega nevtrinskega eksperimenta, glavnega iskanja oscilacij za nevtrino glavnih injektorjev.
"Navdušen sem nad pomembnim novim rezultatom CDMS II in čestitam za sodelovanje," je dejal Peterson. „Vesel sem, da so zmogljivosti laboratorija Soudan prispevale k uspehu CDMS II. In še posebej sem vesel, da je delo Fermilaba in Univerze v Minnesoti pri razširitvi laboratorija Soudan prineslo vrhunsko novo fiziko. "
Ko bo CDSMII v naslednjih nekaj letih iskal WIMP, bo odkrita bodisi temna snov našega vesolja, bodisi bo velik nabor superimetričnih modelov izključen iz možnosti. Kakor koli že, eksperiment CDMS II bo igral pomembno vlogo pri izboljšanju našega razumevanja fizike delcev in kozmosa.
Institucije, ki sodelujejo v CDMS II, vključujejo univerzo Brown, Univerzo Case Western Reserve, Fermi National Accelerator Laboratory, Nacionalni laboratorij Lawrence Berkeley, Nacionalne inštitute za standarde in tehnologijo, Univerza Princeton, Univerza Santa Clara, Univerza Stanford, University of California-Berkeley, University of California-Santa Barbara, University of Colorado v Denverju, University of Florida in University of Minnesota.
Fermilab je nacionalni laboratorij urada DOE, ki ga po pogodbi vodi Univerza Research Association, Inc.
Izvirni vir: Fermilab News Release
