Obrazový kredit: Fermilab
S prvními údaji ze své podzemní observatoře v severní Minnesotě vědci z Cryogenic Dark Matter Search hledali s větší citlivostí než kdy předtím do podezřelé říše WIMPS. Pozorování slabých interakčních masivních částic by mohlo vyřešit dvojí tajemství temné hmoty na kosmickém měřítku a supersymetrie na subatomárním měřítku.
Výsledek CDMS II, popsaný v článku předloženém společnosti Physical Review Letters, ukazuje s 90% jistotou, že míra interakce WIMP s hmotností 60 GeV musí být menší než 4 x 10-43 cm2 nebo přibližně jedna interakce každých 25 dní na kilogram. germania, materiálu v detektoru experimentu. Tento výsledek říká vědcům více, než kdy předtím věděli o WIMPS, pokud existují. Měření z detektorů CDMS II jsou nejméně čtyřikrát citlivější než nejlepší předchozí měření nabízená experimentem EDELWEISS, podzemním evropským experimentem poblíž Grenoble ve Francii.
"Přemýšlejte o této vylepšené citlivosti jako nový dalekohled s dvojnásobkem průměru, a tedy čtyřikrát větší než světlo, které přišlo před ním," uvedl spoluzakladatel CDMS II Blas Cabrera ze Stanfordské univerzity. "Nyní jsme schopni hledat signál, který je jen čtvrtina tak jasný jako jakýkoli předtím, co jsme viděli." V příštích několika letech očekáváme zlepšení naší citlivosti o faktor 20 nebo více. “
Výsledky jsou prezentovány na dubnovém zasedání Americké fyzické společnosti ve dnech 3. a 4. května v Denveru Harry Nelson a postgraduální student Joel Sanders, oba z University of California California-Santa Barbara, a Gensheng Wang a Sharmila Kamat z Case Western Reserve University.
"Víme, že ani náš standardní model fyziky částic, ani náš model vesmíru není úplný," řekl mluvčí CDMS II Bernard Sadoulet z University of California v Berkeley. "Zdá se, že tento chybějící kousek zapadá do obou hádanek." Vidíme stejný tvar ze dvou různých směrů. “
WIMP, které nenesou žádné poplatky, jsou studií v rozporu. Zatímco fyzici očekávají, že budou mít asi 100krát větší množství protonů, jejich strašidelná povaha jim umožní proklouznout obyčejnou hmotou a zanechat stěží stopu. Termín „slabě interagující“ se nevztahuje na množství energie uložené při interakci s normální hmotou, ale spíše na skutečnost, že interagují velmi zřídka. Ve skutečnosti, až si přečtete prvních pár vět, mohlo vaše tělo proudit až sto miliard WIMP.
S 48 vědci ze 13 institucí a dalšími 28 technickými, technickými a administrativními pracovníky pracuje CDMS II s financováním z Úřadu vědy US Department of Energy, z Astronomy and Physics Division National Science Foundation a z členských institucí. Laboratoř Fermi National Accelerator Laboratory společnosti DOE zajišťuje řízení projektu pro CDMS II.
"Povaha temné hmoty je zásadní pro naše pochopení utváření a vývoje vesmíru," řekl Dr. Raymond L. Orbach, ředitel Úřadu pro vědeckou činnost DOE. "Tento experiment by nemohl uspět bez aktivní spolupráce DOE's Office of Science a National Science Foundation."
Michael Turner, náměstek ředitele pro matematiku a fyziku na NSF, označil identifikaci složky temné hmoty za jednu z velkých výzev astrofyziky i fyziky částic.
"Temná hmota drží pohromadě všechny struktury ve vesmíru - včetně naší vlastní Mléčné dráhy - a stále nevíme, z čeho je tmavá hmota vyrobena," řekl Turner. „Pracovní hypotéza je, že se jedná o novou formu hmoty - která, pokud bude správná, vrhne světlo na vnitřní fungování elementárních sil a částic. Při hledání řešení této důležité hádanky je nyní CDMS v čele smečky a ještě musí přijít další faktor citlivosti 20. “
Temná hmota ve vesmíru je detekována prostřednictvím gravitačních účinků na všechna vesmírná měřítka, od růstu struktury v časném vesmíru až po stabilitu galaxií dnes. Kosmologická data z mnoha zdrojů potvrzují, že tato neviditelná temná hmota tvoří více než sedminásobek množství obyčejné viditelné hmoty tvořící hvězdy, planety a další objekty ve vesmíru.
"Něco tam formovalo galaxie a drží je pohromadě dnes a nevyzařuje ani neabsorbuje světlo," řekla Cabrera. "Hmotnost hvězd v galaxii je pouze 10 procent hmotnosti celé galaxie, takže hvězdy jsou jako světla vánočního stromu zdobící obývací pokoj velkého tmavého domu."
Fyzici se také domnívají, že WIMP by mohly být dosud nepozorovanými subatomovými částicemi nazývanými neutralinos. To by byl důkaz pro teorii supersymetrie, která by představila zajímavou novou fyziku nad rámec dnešního standardního modelu základních částic a sil.
Supersymetrie předpovídá, že každá známá částice má supersymetrického partnera s komplementárními vlastnostmi, ačkoli žádný z těchto partnerů nebyl dosud pozorován. Mnoho modelů supersymetrie však předpovídá, že nejlehčí supersymetrická částice, nazývaná neutino, má hmotnost asi 100krát větší než proton.
"Teoretici přišli se všemi takzvanými" supersymetrickými partnery "známých částic, aby vysvětlili problémy na nejmenších vzdálenostních stupnicích," řekl Dan Akerib z Case Western Reserve University. "V jednom z těch fascinujících spojení velmi velkého a malého, nejlehčí z těchto superpartnerů by mohl být chybějící kousek skládačky pro vysvětlení toho, co pozorujeme na největších vzdálenostních stupnicích."
Tým CDMS II praktikuje „podzemní astronomii“ s detektory částic umístěnými téměř půl míle pod zemským povrchem v bývalém železném dole v Soudanu v Minnesotě. 2 341 stop zemské kůry chrání kosmické paprsky a částice pozadí, které produkují. Detektory jsou vyrobeny z germania a křemíku, polovodičových krystalů s podobnými vlastnostmi. Detektory jsou chlazeny s přesností na jednu desetinu stupně absolutní nuly, tak studené, že molekulární pohyb je zanedbatelný. Detektory současně měří náboj a vibrace vytvářené interakcemi částic v krystalech. WIMPS bude signalizovat jejich přítomnost uvolněním menšího náboje než jiné částice pro stejné množství vibrací.
"Naše detektory fungují jako dalekohled vybavený filtry, které umožňují astronomům rozlišit jednu barvu světla od druhé," řekl projektový manažer CDMS II Dan Bauer z Fermilab. "Jen v našem případě se snažíme odfiltrovat konvenční částice ve prospěch WIMPS s temnou hmotou."
Fyzik Earl Peterson z University Minnesota dohlíží na podzemní laboratoř Soudan Underground Laboratory, kde sídlí také Fermilabův dlouhodobý experiment s neutrinem, hlavní Injector Neutrino Oscillation Search.
"Jsem nadšený novým významným výsledkem CDMS II a blahopřeji ke spolupráci," řekl Peterson. "Jsem rád, že zařízení Soudanské laboratoře přispěla k úspěchu CDMS II." Obzvláště mě těší, že práce Fermilab a University of Minnesota při rozšiřování Soudanské laboratoře vyústila v úžasnou novou fyziku. “
Protože CDSMII hledá WIMP v příštích několika letech, bude objevena buď temná hmota našeho vesmíru, nebo bude vyloučena velká řada supersymetrických modelů. Ať tak či onak, bude experiment CDMS II hrát hlavní roli při zlepšování našeho chápání fyziky částic a vesmíru.
Spolupracující instituce CDMS II zahrnují Brown University, Case Western Reserve University, Fermi National Accelerator Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, Národní instituty standardů a technologií, Princeton University, Santa Clara University, Stanford University, Kalifornská univerzita-Berkeley, Kalifornská univerzita - Santa Barbara, University of Colorado v Denveru, University of Florida a University of Minnesota.
Fermilab je národní laboratoř DOE Office of Science provozovaná na základě smlouvy společností Universities Research Association, Inc.
Původní zdroj: Fermilab News Release
