Die Suche nach dunkler Teilchenmaterie hat uns veranlasst, nach WIMPs zu suchen, die sich mit Atomkernen zurückziehen können. Die LZ-Kollaboration wird die besten Grenzen für WIMP-Nukleonenquerschnitte von allen bieten, aber die am besten motivierten Szenarien für ein schwachkraftgetriebenes Teilchen auf oder nahe der elektroschwachen Skala, die 100% der dunklen Materie ausmachen, sind bereits ausgeschlossen . (LUX-ZEPLIN (LZ) ZUSAMMENARBEIT / SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY)

Die 'WIMP Miracle'-Hoffnung auf Dunkle Materie ist tot

Aber wir sollten die direkte Erkennung nicht aufgeben. Hier ist der Grund.

Dunkle Materie ist nicht nur die am häufigsten vorkommende Form von Materie im Universum, sondern auch die mysteriöseste. Während alle anderen uns bekannten Teilchen - Atome, Neutrinos, Photonen, Antimaterie und alle anderen Teilchen im Standardmodell - durch mindestens eine der bekannten Quantenkräfte interagieren, scheint dunkle Materie nur durch die Schwerkraft zu interagieren.

Vielen zufolge wäre es besser, es unsichtbare Materie zu nennen, als dunkle Materie. Es emittiert oder absorbiert nicht nur kein Licht, sondern interagiert auch nicht mit einem der bekannten, direkt nachweisbaren Partikel durch elektromagnetische, starke oder schwache Kernkräfte. Der gefragteste Kandidat für die Dunkle Materie ist das WIMP: das schwach wechselwirkende massive Teilchen. Die große Hoffnung war auf ein WIMP-Wunder, eine großartige Vorhersage der Supersymmetrie.

Es ist 2019 und diese Hoffnung ist jetzt enttäuscht. Direkte Detektionsexperimente haben die erhofften WIMPs gründlich ausgeschlossen.

Wenn Sie zwei Partikel zusammenstoßen, untersuchen Sie die innere Struktur der kollidierenden Partikel. Wenn eines davon nicht grundlegend ist, sondern ein zusammengesetztes Teilchen, können diese Experimente seine innere Struktur aufdecken. Hier soll ein Experiment durchgeführt werden, um das Streusignal zwischen dunkler Materie und Nukleonen zu messen. Es gibt jedoch viele weltliche Hintergrundbeiträge, die zu einem ähnlichen Ergebnis führen könnten. Dieses spezielle Signal wird in Germanium-, Flüssig-XENON- und Flüssig-ARGON-Detektoren angezeigt. (DARK MATTER OVERVIEW: KOLLIDER-, DIREKTE UND INDIREKTE ERKENNUNGSSUCHE - QUEIROZ, FARINALDO S. ARXIV: 1605.08788)

Das Universum muss aus astrophysikalischer Sicht aus mehr als nur der normalen Materie bestehen, die wir kennen. Normale Materie qualifiziert sich in diesem Fall als eines der bekannten Partikel im Standardmodell. Es enthält alles, was aus Quarks, Leptonen oder den bekannten Bosonen hergestellt wurde, und exotische Objekte wie Neutronensterne, Schwarze Löcher und Antimaterie. Die gesamte normale Materie im Universum wurde mit einer Vielzahl von Methoden quantifiziert und summiert sich nur auf etwa ein Sechstel dessen, was insgesamt vorhanden sein muss, um die Gravitationswechselwirkungen zu erklären, die wir auf kosmischen Skalen sehen.

Das große Problem ist natürlich, dass alle unsere Beweise für dunkle Materie indirekt sind. Wir können seine Auswirkungen im astrophysikalischen Labor des Weltraums beobachten, aber wir haben es nie direkt in einem Labor hier auf der Erde entdeckt. Das ist wohlgemerkt nicht aus Mangel an Versuchen.

Halle B von LNGS mit XENON-Installationen, wobei der Detektor im großen Wasserschild installiert ist. Wenn es einen Querschnitt ungleich Null zwischen dunkler Materie und normaler Materie gibt, besteht bei einem solchen Experiment nicht nur die Möglichkeit, dunkle Materie direkt zu erkennen, sondern es besteht auch die Möglichkeit, dass dunkle Materie schließlich mit Ihrem menschlichen Körper interagiert. (INFN)

Wenn Sie dunkle Materie direkt erkennen möchten, ist dies nicht so einfach wie das Erkennen der bekannten Partikel des Standardmodells. Für alles, was aus Quarks, Leptonen oder den bekannten Bosonen besteht, können wir quantifizieren, durch welche Kräfte sie mit welcher Größe interagieren. Wir können das, was wir über die Physik wissen, und insbesondere über die bekannten Kräfte und Wechselwirkungen zwischen den bekannten Teilchen verwenden, um Größen wie Querschnitte, Zerfallsraten und Produkte, Streuamplituden und andere Eigenschaften vorherzusagen, die wir experimentell messen können Teilchenphysik.

Ab 2019 haben wir an jenen Fronten, die das Standardmodell auf eine Weise bestätigt haben, von der sowohl Theoretiker als auch Experimentatoren nur vor einem halben Jahrhundert träumen konnten, enorme Erfolge erzielt. Detektoren an Kollidern und isolierten unterirdischen Einrichtungen haben den Weg nach vorne geebnet.

Die Partikel und Antiteilchen des Standardmodells wurden jetzt alle direkt nachgewiesen, wobei der letzte Holdout, das Higgs-Boson, Anfang dieses Jahrzehnts am LHC abfiel. Alle diese Teilchen können bei LHC-Energien erzeugt werden, und die Massen der Teilchen führen zu fundamentalen Konstanten, die absolut notwendig sind, um sie vollständig zu beschreiben. Diese Teilchen können durch die Physik der dem Standardmodell zugrunde liegenden Quantenfeldtheorien gut beschrieben werden, aber sie beschreiben nicht alles wie dunkle Materie. (E. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS)

Es gibt ein ganzes Spektrum von Partikeln - sowohl fundamentale als auch zusammengesetzte -, die vom Standardmodell vorhergesagt werden. Ihre Wechselwirkungen durch die starken nuklearen, elektromagnetischen und schwachen Kernkräfte können mit in der Quantenfeldtheorie entwickelten Techniken berechnet werden, die es uns ermöglichen, diese Teilchen auf verschiedene Weise zu erzeugen und zu detektieren.

Jeder einzelne Quark und Antiquark wurde jetzt direkt in einem Beschleuniger hergestellt, wobei der Top-Quark, der letzte Holdout, 1995 fiel.

Jedes Lepton und Antilepton wurde von Detektoren beobachtet, wobei das Tau-Neutrino (und sein Antimaterie-Gegenstück, das Tau-Antineutrino) den Lepton-Sektor Anfang bis Mitte der 2000er Jahre vervollständigten.

Und jedes einzelne Standardmodell-Boson wurde ebenfalls erstellt und erkannt, wobei das Higgs-Boson, das letzte Puzzleteil, 2012 definitiv am LHC erscheint.

Der erste robuste 5-Sigma-Nachweis des Higgs-Bosons wurde vor einigen Jahren sowohl von der CMS- als auch von der ATLAS-Zusammenarbeit angekündigt. Das Higgs-Boson macht jedoch keine einzige

Wir verstehen, wie sich die Partikel des Standardmodells verhalten. Wir haben solide Vorhersagen darüber, wie sie durch alle fundamentalen Kräfte interagieren sollen, und experimentelle Bestätigung dieser Theorien. Wir haben auch außergewöhnliche Einschränkungen hinsichtlich der Art und Weise, wie sie über das Standardmodell hinaus interagieren dürfen. Aufgrund unserer Einschränkungen durch Beschleuniger, kosmische Strahlung, Zerfallsexperimente, Kernreaktoren und mehr konnten wir viele mögliche theoretisierte Ideen ausschließen.

Wenn es jedoch darum geht, was die Dunkle Materie ausmachen könnte, haben wir nur die astrophysikalischen Beobachtungen und unsere theoretischen Arbeiten, die uns gemeinsam leiten. Zu den möglichen Theorien, die wir uns ausgedacht haben, gehört eine große Anzahl von Kandidaten für die Dunkle Materie, aber keine, die experimentelle Unterstützung erhalten haben.

Die Kräfte im Universum und ob sie sich an dunkle Materie koppeln können oder nicht. Die Schwerkraft ist eine Gewissheit; Alle anderen sind entweder nicht oder in Bezug auf den Grad der Interaktion stark eingeschränkt. (PERIMETERINSTITUT)

Der gefragteste Kandidat für die Dunkle Materie ist das WIMP: das schwach wechselwirkende massive Teilchen. In den frühen Tagen - dh in den 1970er Jahren - wurde erkannt, dass einige Teilchenphysik-Theorien, die neue Teilchen jenseits des Standardmodells vorhersagten, schließlich neue Arten stabiler, neutraler Teilchen erzeugen könnten, wenn es eine neue Art von Parität gäbe (eine Art von Symmetrie), die sie am Verfall hinderte.

Dies beinhaltet jetzt Ideen wie Supersymmetrie, zusätzliche Dimensionen oder das kleine Higgs-Szenario. Alle diese Szenarien haben dieselbe Geschichte gemeinsam:

  • Als das Universum schon früh heiß und dicht war, wurden alle Partikel (und Antiteilchen), die erzeugt werden konnten, in großer Menge erzeugt, einschließlich aller zusätzlichen Partikel, die über das Standardmodell hinausgehen.
  • Als das Universum abkühlte, zerfielen diese Teilchen in zunehmend leichtere und stabilere.
  • Und wenn das leichteste stabil (aufgrund der neuen Paritätssymmetrie) und elektrisch neutral wäre, würde es bis heute bestehen bleiben.

Wenn Sie die Masse und den Querschnitt dieser neuen Partikel bewerten, können Sie eine vorhergesagte Dichte für ihre geschätzte Häufigkeit heute erhalten.

Um die korrekte kosmologische Häufigkeit dunkler Materie (y-Achse) zu erhalten, muss dunkle Materie die richtigen Wechselwirkungsquerschnitte mit normaler Materie (links) und die richtigen Selbstvernichtungseigenschaften (rechts) aufweisen. Direkte Detektionsexperimente schließen nun diese von Planck (grün) geforderten Werte aus und benachteiligen die mit schwacher Kraft wechselwirkende dunkle WIMP-Materie. (PS BHUPAL DEV, ANUPAM MAZUMDAR & SALEH QUTUB, FRONT.IN PHYS. 2 (2014) 26)

Hierher kam die Idee der dunklen Materie von WIMP. Diese neuen Teilchen konnten nicht durch die starke oder elektromagnetische Wechselwirkung interagiert haben; Diese Wechselwirkungen haben einen zu hohen Querschnitt und wären bereits aufgetreten. Aber die schwache nukleare Wechselwirkung ist eine Möglichkeit. Ursprünglich stand das „W“ in WIMP für die schwache Interaktion aufgrund eines spektakulären Zufalls (der in Supersymmetrie auftritt), der als WIMP-Wunder bekannt ist.

Wenn Sie die Dichte der dunklen Materie eingeben, die das Universum heute benötigt, können Sie ableiten, wie viele Teilchen der dunklen Materie Sie von einer bestimmten Masse benötigen, um sie zu bilden. Die für die Supersymmetrie interessante Massenskala - oder jede Theorie, die auf der elektroschwachen Skala erscheint - liegt im Bereich von 100 GeV bis 1 TeV, sodass wir sie berechnen können, wie hoch der Selbstvernichtungsquerschnitt sein muss, um die richtige Häufigkeit zu erhalten der dunklen Materie.

Dieser Wert (Querschnitt multipliziert mit Geschwindigkeit) liegt bei etwa 3 × 10 ^ –26 cm³ / s, was genau dem entspricht, was Sie erwarten würden, wenn solche Partikel durch die elektroschwache Kraft interagieren würden.

Heutzutage werden Feynman-Diagramme verwendet, um jede grundlegende Wechselwirkung zu berechnen, die die starken, schwachen und elektromagnetischen Kräfte umfasst, einschließlich unter Bedingungen hoher Energie und niedriger Temperatur / kondensierter Bedingungen. Wenn es ein neues Teilchen gibt, das an die schwache Wechselwirkung gekoppelt ist, interagieren sie auf einer bestimmten Ebene mit den bekannten Standardmodellteilchen und haben daher einen Querschnitt mit dem Proton und dem Neutron. (DE CARVALHO, VANUILDO S. UND AL. NUCL.PHYS. B875 (2013) 738–756)

Wenn neue Partikel durch die elektroschwache Kraft interagieren, koppeln sie sich natürlich auch an die Partikel des Standardmodells. Wenn ein neues Teilchen beispielsweise an das W- oder Z-Boson (das die schwache Kraft trägt) koppelt, besteht eine endliche Wahrscheinlichkeit ungleich Null, dass diese Teilchen mit einem Teilchen kollidieren, an das sich ein W- oder Z-Boson koppelt ein Quark innerhalb eines Protons oder Neutrons.

Dies bedeutet, dass wir Experimente mit dunkler Materie durchführen können, die nach einem nuklearen Rückstoß bekannter Partikel normaler Materie suchen. Rückschläge, die über die durch normale Materie verursachten hinausgehen, wären ein Beweis für die Existenz dunkler Materie. Sicher, es gibt Hintergrundereignisse: Neutronen, Neutrinos, radioaktiv zerfallende Kerne in der umgebenden Materie usw. Wenn Sie jedoch die Energie- und Impulskombinationen des gesuchten Signals kennen und Ihr Experiment geschickt gestalten, können Sie Ihre quantifizieren Hintergrund und extrahieren Sie eventuell vorhandene Signale der dunklen Materie.

Die Protonen- und Neutronenquerschnittsgrenzen aus der LUX-Zusammenarbeit, die den letzten Parameterraum der 2000er-Ära für WIMPs, die durch die schwache Kraft interagieren, effektiv ausschließen, sind 100% der dunklen Materie. Beachten Sie in den leicht schattierten Bereichen im Hintergrund, wie Theoretiker neue, überarbeitete Vorhersagen für immer niedrigere Querschnitte treffen. Es gibt keine gute körperliche Motivation, dies zu tun. (LUX COLLABORATION, PHYS. REV. LETT. 118, 251302 (2017))

Diese Experimente dauern nun seit Jahrzehnten an und haben keine dunkle Materie gesehen. Die strengsten modernen Einschränkungen stammen von LUX (oben) und XENON 1T (unten). Diese Ergebnisse zeigen, dass der Wechselwirkungsquerschnitt für Protonen und Neutronen außerordentlich klein ist und sich sowohl für spinabhängige als auch für spinunabhängige Szenarien unterscheidet.

LUX brachte uns zu spinabhängigen Querschnittsgrenzen unter 1,0–1,6 × 10 ^ –41 cm² für Protonen und Neutronen und spinunabhängigen unter 1,0 × 10 ^ –46 cm²: niedrig genug, um alle Modelle von SUSY auszuschließen Dunkle Materie, vorgeschlagen von 2001. Eine empfindlichere Einschränkung kommt jetzt von XENON: Die spinabhängige Neutronenbeschränkung beträgt 6 × 10−42 cm², während die spinunabhängigen Querschnitte unter 4,1 × 10−47 cm² liegen, wodurch die Schrauben weiter angezogen werden .

Der spinunabhängige WIMP / Nukleon-Querschnitt hat jetzt seine strengsten Grenzen durch das XENON1T-Experiment, das sich gegenüber allen früheren Experimenten, einschließlich LUX, verbessert hat. Während Theoretiker und Phänomenologen zweifellos weiterhin neue Vorhersagen mit immer kleineren Querschnitten erstellen werden, hat die Idee eines WIMP-Wunders mit den bereits vorliegenden experimentellen Ergebnissen jede vernünftige Motivation verloren. (E. APRILE ET AL., PHYS. REV. LETT. 121, 111302 (2018))

Dies ist eine andere Messung als die Selbstvernichtung von Partikeln der dunklen Materie, aber diese Messung sagt uns etwas unglaublich Wertvolles. Die Modelle der Supersymmetrie oder zusätzlicher Dimensionen, die durch die schwachen Wechselwirkungen die richtige Häufigkeit dunkler Materie ergeben, werden durch diese Experimente ausgeschlossen. Wenn es dunkle WIMP-Materie gibt, muss diese schwächer sein, als die schwache Wechselwirkung es zulässt, 100% der dunklen Materie zu umfassen. Zusätzlich sollte der LHC es nicht nachweisbar produzieren.

Theoretiker können ihre Modelle immer optimieren und haben dies so oft getan, indem sie den erwarteten Querschnitt als Nullergebnis nach dem Einsetzen des Nullergebnisses nach unten und unten verschoben haben. Das ist jedoch die schlechteste Art von Wissenschaft, die Sie tun können: einfach die Torpfosten für Nein verschieben Andere physikalische Gründe als Ihre experimentellen Einschränkungen sind schwerwiegender geworden. Es gibt keine Motivation mehr, außer die Schlussfolgerung zu bevorzugen, dass die Daten dies ausschließen.

Es gab eine Vielzahl potenzieller neuer physikalischer Signaturen, nach denen Physiker am LHC gesucht haben, von zusätzlichen Dimensionen über dunkle Materie über supersymmetrische Teilchen bis hin zu mikroschwarzen Löchern. Trotz all der Daten, die wir aus diesen Hochenergiekollisionen gesammelt haben, hat keines dieser Szenarien Beweise für ihre Existenz gezeigt. (CERN / ATLAS EXPERIMENT)

Die Durchführung dieser direkten Detektionsexperimente ist jedoch immer noch unglaublich wertvoll. Es gibt andere Möglichkeiten, dunkle Materie zu erzeugen, die über das konventionellste Szenario hinausgehen. Darüber hinaus erfordern diese Einschränkungen keine Nicht-WIMPy-Quelle für dunkle Materie. Viele andere interessante Szenarien benötigen kein WIMP-Wunder.

Seit vielen Jahrzehnten ist bekannt, dass das „W“ nicht für die schwache Wechselwirkung steht, sondern für eine Wechselwirkung, die nicht stärker ist, als es die schwache Kraft zulässt. Wenn wir neue Partikel haben, die über das Standardmodell hinausgehen, dürfen wir auch neue Kräfte und Wechselwirkungen haben. Experimente wie XENON und LUX sind unsere einzige Möglichkeit, diese zu untersuchen.

Darüber hinaus spielen Kandidaten für dunkle Materie, die durch einen anderen Mechanismus in niedrigeren Massenbereichen wie Axionen oder sterilen Neutrinos oder durch die Gravitationswechselwirkung allein bei höheren Massen wie WIMPzillas hergestellt werden, eine große Rolle.

Der kryogene Aufbau eines der Experimente, bei denen eine hypothetische Wechselwirkung für einen Nicht-WIMP-Kandidaten für dunkle Materie ausgenutzt werden soll: das Axion. Axionen, wenn sie die dunkle Materie sind, können sich durch die elektromagnetische Wechselwirkung in Photonen umwandeln, und der hier gezeigte Hohlraum soll diese Möglichkeit testen. Wenn dunkle Materie jedoch nicht die spezifischen Eigenschaften aufweist, auf die aktuelle Experimente testen, wird sie keiner der von uns gebauten Detektoren jemals direkt finden. (AXION DARK MATTER EXPERIMENT (ADMX) / LLNL'S FLICKR)

Unsere Suche nach dunkler Materie im Labor durch direkte Detektionsbemühungen setzt weiterhin wichtige Einschränkungen für die Physik, die über das Standardmodell hinaus vorhanden sein kann. Für diejenigen, die mit Wundern verbunden sind, erscheinen positive Ergebnisse jedoch zunehmend unwahrscheinlich. Diese Suche erinnert jetzt an den Betrunkenen, der unter dem Laternenpfahl nach seinen verlorenen Schlüsseln sucht. Er weiß, dass sie nicht da sind, aber es ist der einzige Ort, an dem das Licht, das es ihm ermöglicht, zu schauen, scheint.

Das WIMP-Wunder kann tot und verschwunden sein, da Partikel, die durch die schwache Kraft auf der elektroschwachen Skala interagieren, sowohl von Kollidern als auch von der direkten Detektion benachteiligt wurden. Die Idee der dunklen Materie von WIMP lebt jedoch weiter. Wir müssen uns nur daran erinnern, dass wir, wenn Sie WIMP hören, dunkle Materie einbeziehen, die schwächer und schwächer ist, als es selbst die schwachen Wechselwirkungen zulassen. Es gibt zweifellos etwas Neues im Universum, das darauf wartet, entdeckt zu werden.

Das WIMP-Wunder ist vorbei. Aber wir könnten immer noch das beste Wunder von allen bekommen: Wenn diese Experimente etwas ergeben, das über ein Nullergebnis hinausgeht. Der einzige Weg zu wissen ist zu schauen.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.