Die Suche nach partikulärer Dunkler Materie hat uns dazu veranlasst, nach WIMPs zu suchen, die mit Atomkernen zusammenstoßen können. Die LZ-Kollaboration bietet die besten Grenzen für WIMP-Nukleonenquerschnitte von allen, aber die besten motivierten Szenarien für ein schwach kraftgetriebenes Teilchen im oder in der Nähe der elektroschwachen Skala machen 100% der dunklen Materie bereits aus . (LUX-ZEPLIN (LZ) ZUSAMMENARBEIT / SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABOR)

Die "WIMP-Wunder" -Hoffnung für Dunkle Materie ist tot

Wir sollten jedoch nicht auf die direkte Erkennung verzichten. Hier ist der Grund.

Dunkle Materie ist nicht nur die häufigste 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 gewesen, es unsichtbare Materie zu nennen, als dunkle Materie. Es emittiert oder absorbiert nicht nur Licht, sondern interagiert auch nicht mit einem der bekannten, direkt nachweisbaren Partikel durch die elektromagnetischen, starken oder schwachen Kernkräfte. Der begehrteste Kandidat für die Dunkle Materie ist das WIMP: das schwach wechselwirkende massive Teilchen. Die große Hoffnung war 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 interne Struktur der kollidierenden Partikel. Wenn eines von ihnen nicht grundlegend ist, sondern ein zusammengesetztes Teilchen ist, können diese Experimente seine innere Struktur aufdecken. Hier soll ein Experiment zur Messung des Streusignals Dunkle Materie / Nukleon durchgeführt werden. Es gibt jedoch viele weltliche Hintergrundbeiträge, die zu einem ähnlichen Ergebnis führen könnten. Dieses spezielle Signal wird in Germanium-, flüssigen XENON- und flüssigen ARGON-Detektoren angezeigt. (DUNKELHEITSÜBERSICHT: COLLIDER-, DIREKTE UND INDIREKTE ERKENNUNGSSUCHE - QUEIROZ, FARINALDO S. ARXIV: 1605.08788)

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

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 nichts dagegen, wenn man es nicht versucht.

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

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

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

Die Partikel und Antiteilchen des Standardmodells wurden jetzt alle direkt detektiert, wobei der letzte Holdout, das Higgs-Boson, Anfang dieses Jahrzehnts am LHC fiel. Alle diese Teilchen können bei LHC-Energien erzeugt werden, und die Massen der Teilchen führen zu fundamentalen Konstanten, die für ihre vollständige Beschreibung unbedingt erforderlich sind. Diese Teilchen können durch die Physik der Quantenfeldtheorien, die dem Standardmodell zugrunde liegen, 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 nuklearen Kräfte können durch Techniken berechnet werden, die in der Quantenfeldtheorie entwickelt wurden und die es uns ermöglichen, diese Teilchen auf verschiedene Arten zu erzeugen und nachzuweisen.

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

Jedes Lepton und Antilepton wurde von Detektoren beobachtet, wobei das Tau-Neutrino (und sein Gegenstück zur Antimaterie, das Tau-Antineutrino) in den frühen bis mittleren 2000er Jahren den Leptonsektor vervollständigte.

Und jedes einzelne Standard-Modell-Boson wurde erstellt und erkannt. Das Higgs-Boson ist das letzte Puzzleteil, das 2012 definitiv im LHC auftaucht.

Die erste robuste 5-Sigma-Erkennung des Higgs-Bosons wurde vor einigen Jahren sowohl von der CMS- als auch von der ATLAS-Kollaboration angekündigt. Aber das Higgs-Boson macht aufgrund seiner inhärenten Unsicherheit in der Masse keinen einzigen

Wir verstehen, wie sich die Partikel des Standardmodells verhalten. Wir haben solide Vorhersagen, wie sie durch alle fundamentalen Kräfte interagieren sollen, und experimentelle Bestätigungen 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 ausmacht, müssen wir uns nur an astrophysikalischen Beobachtungen und unserer theoretischen Arbeit orientieren. Zu den möglichen Theorien, die wir aufgestellt haben, gehören eine Vielzahl von Kandidaten für die Dunkle Materie, aber keine, die experimentell unterstützt wurden.

Die Kräfte im Universum und ob sie sich an die Dunkle Materie koppeln können oder nicht. Die Schwerkraft ist eine Gewissheit; Alle anderen sind in Bezug auf die Interaktionsebene entweder nicht oder stark eingeschränkt. (PERIMETER-INSTITUT)

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

Dazu gehören jetzt Ideen wie Supersymmetrie, zusätzliche Dimensionen oder das kleine Higgs-Szenario. Alle diese Szenarien haben die gleiche Geschichte gemeinsam:

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

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

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

Dies ist der Ursprung der Idee von WIMP Dark Matter. Diese neuen Partikel konnten nicht durch die starke oder elektromagnetische Wechselwirkung in Wechselwirkung getreten sein. 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 Wechselwirkung 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 dunkle Materieteilchen Sie für eine bestimmte Masse benötigen, um sie zusammenzusetzen. Die Massenskala, die für Supersymmetrie von Interesse ist - oder jede Theorie, die auf der elektroschwachen Skala auftritt -, liegt im Bereich von 100 GeV bis 1 TeV. Wir können also berechnen, wie groß der Querschnitt der Selbstvernichtung sein muss, um die richtige Häufigkeit zu erhalten der dunklen Materie.

Dieser Wert (des Querschnitts multipliziert mit der Geschwindigkeit) beträgt ungefähr 3 × 10 ^ –26 cm³ / s, was genau dem entspricht, was Sie erwarten würden, wenn solche Partikel durch die elektroschwache Kraft wechselwirken würden.

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

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

Dies bedeutet, dass wir Experimente mit dunkler Materie durchführen können, um nach einem Rückstoß bekannter normaler Materieteilchen zu suchen. Rückschläge, die über die von normaler Materie verursachten Rückschläge hinausgehen, wären ein Beweis für die Existenz dunkler Materie. Natürlich gibt es Hintergrundereignisse: Neutronen, Neutrinos, radioaktiv zerfallende Kerne in der umgebenden Materie usw. Aber wenn Sie die Energie- und Impulskombinationen des gesuchten Signals kennen und Ihr Experiment geschickt planen, können Sie Ihre quantifizieren Hintergrund und extrahieren Sie alle potenziellen Dunklen Materie-Signale, die dort sein können.

Die Protonen- und Neutronenquerschnittsgrenzen der LUX-Kollaboration schlossen den letzten Parameterraum der 2000-Ära für WIMPs aus, die durch die schwache Kraft, die 100% der dunklen Materie ist, interagieren. Beachten Sie in den hell 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 laufen jetzt seit Jahrzehnten und haben keine Dunkle Materie gesehen. Die strengsten modernen Einschränkungen kommen 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 auf spinabhängige Querschnittsgrenzen unter 1,0–1,6 × 10 ^ −41 cm² für Protonen und Neutronen und spinunabhängige unter 1,0 × 10 ^ −46 cm²: niedrig genug, um alle Modelle von SUSY auszuschließen Eine empfindlichere Einschränkung kommt 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 / Nucleon-Querschnitt wird durch das XENON1T-Experiment, das sich gegenüber allen früheren Experimenten, einschließlich LUX, verbessert hat, am strengsten begrenzt. Während Theoretiker und Phänomenologen zweifellos weiterhin neue Vorhersagen mit immer kleineren Querschnitten erstellen werden, hat die Idee eines WIMP-Wunders mit den experimentellen Ergebnissen, die uns bereits vorliegen, jede vernünftige Motivation verloren. (E. APRILE et al., PHYS. REV. LETT. 121, 111302 (2018))

Dies ist eine andere Messung als wenn Teilchen der dunklen Materie sich selbst vernichten, aber diese Messung sagt uns etwas unglaublich Wertvolles. Die Modelle der Supersymmetrie oder der zusätzlichen Dimensionen, die durch die schwachen Wechselwirkungen die richtigen Häufigkeiten dunkler Materie ergeben, werden durch diese Experimente ausgeschlossen. Wenn es dunkle WIMP-Materie gibt, muss diese schwächer sein, als es die schwache Wechselwirkung zulässt, um 100% der dunklen Materie zu umfassen. Darüber hinaus sollte der LHC es nicht nachweisbar produzieren.

Theoretiker können ihre Modelle immer wieder optimieren und haben den erwarteten Querschnitt so oft nach unten gedrückt, bis ein Nullergebnis eintritt. Das ist die schlimmste Art von Wissenschaft, die Sie tun können: einfach die Torpfosten um eins verschieben Andere physikalische Gründe als Ihre experimentellen Einschränkungen sind schwerwiegender geworden. Es gibt keine andere Motivation mehr, als den Schluss zu ziehen, dass die Daten diesbezüglich ausgeschlossen sind.

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

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

Seit vielen Jahrzehnten wird anerkannt, 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 Dunkle-Materie-Kandidaten wie WIMPzillas, die durch einen anderen Mechanismus in niedrigeren Massenbereichen wie Axionen oder sterilen Neutrinos oder allein durch die Gravitationswechselwirkung in höheren Massen erzeugt werden, eine große Rolle.

Der kryogene Aufbau eines Experiments, das eine hypothetische Wechselwirkung für einen Nicht-WIMP-Kandidaten für die Dunkle Materie ausnutzen soll: das Axion. Wenn es sich bei Axionen um die Dunkle Materie handelt, können sie durch elektromagnetische Wechselwirkung in Photonen umgewandelt werden, und der hier gezeigte Hohlraum wurde entwickelt, um diese Möglichkeit zu testen. Wenn dunkle Materie jedoch nicht die spezifischen Eigenschaften aufweist, auf die derzeitige Experimente prüfen, wird keiner der von uns gebauten Detektoren sie direkt finden. (AXION DARK MATTER EXPERIMENT (ADMX) / LLNL'S FLICKR)

Unsere Suche nach Dunkler Materie im Labor setzt durch direkte Detektionsbemühungen weiterhin wichtige Einschränkungen dahingehend, welche Physik jenseits des Standardmodells vorhanden sein kann. Für diejenigen, die mit Wundern verbunden sind, werden positive Ergebnisse zunehmend unwahrscheinlicher. 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 ihm das Schauen ermöglicht, scheint.

Das WIMP-Wunder mag tot und vergangen 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 von WIMP Dunkler Materie 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 Null-Ergebnis 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 aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.