Bildekreditt: Fermilab
Med de første dataene fra deres underjordiske observatorium i Nord-Minnesota har forskere fra Cryogenic Dark Matter Search kikket med større følsomhet enn noen gang før til det mistenkte riket til WIMPS. Å se på svakt samvirke massive partikler kunne løse det doble mysteriet med mørk materie i den kosmiske skalaen og supersymmetrien i den subatomære skalaen.
CDMS II-resultatet, beskrevet i et papir sendt til Physical Review Letters, viser med 90 prosent sikkerhet at samspillhastigheten til en WIMP med masse 60 GeV må være mindre enn 4 x 10-43 cm2 eller omtrent en interaksjon hver 25 dag per kilogram av germanium, materialet i eksperimentets detektor. Dette resultatet forteller forskere mer enn de noen gang har kjent til WIMPS, hvis de eksisterer. Målingene fra CDMS II-detektorene er minst fire ganger mer følsomme enn den beste tidligere måling som tilbys av EDELWEISS-eksperimentet, et underjordisk europeisk eksperiment nær Grenoble, Frankrike.
"Tenk på denne forbedrede følsomheten som et nytt teleskop med dobbelt diameter og dermed fire ganger lyssamlingen til alt som kom før det," sa CDMS II cospokesperson Blas Cabrera fra Stanford University. ”Vi kan nå se etter et signal som bare er en fjerdedel så lyst som noe vi har sett før. I løpet av de neste årene forventer vi å forbedre følsomheten vår med en faktor på 20 eller mer. ”
Resultatene blir presentert på aprilmøtet i American Physical Society 3. og 4. mai i Denver av Harry Nelson og doktorgradsstudenten Joel Sanders, begge fra University of California-Santa Barbara, og av Gensheng Wang og Sharmila Kamat fra Case Western Reserve University.
"Vi vet at verken vår standardmodell for partikkelfysikk eller vår modell av kosmos er fullstendig," sa CDMS II-talsperson Bernard Sadoulet fra University of California i Berkeley. “Dette spesielle manglende stykket ser ut til å passe til begge gåtene. Vi ser den samme formen fra to forskjellige retninger. ”
WIMP-er, som ikke betaler noe, er en studie i motsetninger. Mens fysikere forventer at de vil ha omtrent 100 ganger protonenes masse, lar deres spøkelsesaktige natur de gli gjennom vanlig materie og etterlater knapt spor. Begrepet "svakt samspill" refererer ikke til mengden energi som blir satt inn når de interagerer med normal materie, men snarere på det faktum at de samhandler ekstremt sjelden. Faktisk kan så mange som hundre milliarder WIMPs ha strømmet gjennom kroppen din når du leste disse første setningene.
Med 48 forskere fra 13 institusjoner, pluss ytterligere 28 ingeniører, tekniske og administrative ansatte, jobber CDMS II med finansiering fra Office of Science i U.S. Department of Energy, fra Astronomy and Physics Divisions of the National Science Foundation og fra medlemsinstitusjoner. DOEs Fermi National Accelerator Laboratory sørger for prosjektledelsen for CDMS II.
"Naturen av mørk materie er grunnleggende for vår forståelse av universets dannelse og utvikling," sier Dr. Raymond L. Orbach, direktør for DOEs Office of Science. "Dette eksperimentet kunne ikke ha lyktes uten det aktive samarbeidet fra DOEs Office of Science og National Science Foundation."
Michael Turner, assisterende direktør for matematikk og fysikkvitenskap ved NSF, beskrev å identifisere bestanddelen av den mørke saken som en av de store utfordringene innen både astrofysikk og partikkelfysikk.
"Mørk materie samler alle strukturer i universet - inkludert vår egen Melkevei - og vi vet fremdeles ikke hva den mørke materien er laget av," sa Turner. "Arbeidshypotesen er at det er en ny form for materie, som, hvis riktig, vil kaste lys over de indre virkningene av elementære krefter og partikler. Når vi forfølger løsningen på dette viktige puslespillet, er CDMS nå i spissen for pakken, med en annen faktor på 20 i følsomhet fremover. "
Mørk materie i universet oppdages gjennom dens gravitasjonseffekter på alle kosmiske skalaer, fra veksten av struktur i det tidlige universet til stabiliteten til galakser i dag. Kosmologiske data fra mange kilder bekrefter at denne usettede mørke materien utgjør mer enn syv ganger mengden vanlig synlig materiale som danner stjernene, planetene og andre gjenstander i universet.
"Noe der ute dannet galaksene og holder dem sammen i dag, og det verken avgir eller absorberer lys," sa Cabrera. "Stjernenes masse i en galakse er bare 10 prosent av massen til hele galaksen, så stjernene er som juletre-lys som pynter stuen til et stort mørkt hus."
Fysikere tror også WIMPs kan være de ennå uobserverte subatomære partiklene som kalles nøytralino. Dette ville være bevis for teorien om supersymmetri, og introduserer spennende ny fysikk utover dagens standardmodell av grunnleggende partikler og krefter.
Supersymmetry spår at hver kjent partikkel har en supersymmetrisk partner med komplementære egenskaper, selv om ingen av disse partnerne ennå er observert. Imidlertid spår mange modeller av supersymmetri at den letteste supersymmetriske partikkel, kalt nøytralino, har en masse omtrent 100 ganger protonens.
"Teoretikere kom med alle disse såkalte 'supersymmetriske partnere' til de kjente partiklene for å forklare problemer på de minste avstander," sa Dan Akerib fra Case Western Reserve University. "I en av de fascinerende forbindelsene til veldig store og veldig små, kunne de letteste av disse superpartnerne være den manglende puslespillet for å forklare hva vi ser på de aller største avstandsskalaene."
CDMS II-teamet praktiserer "underjordisk astronomi", med partikkeldetektorer som ligger nesten en halv kilometer under jordoverflaten i en tidligere jerngruve i Soudan, Minnesota. Jordens skorpe er 2341 fot og beskytter kosmiske stråler og bakgrunnspartiklene de produserer. Detektorene er laget av germanium og silisium, halvlederkrystaller med lignende egenskaper. Detektorene avkjøles til innen en tidel av en grad av absolutt null, så kald at molekylær bevegelse blir ubetydelig. Detektorene måler samtidig ladningen og vibrasjonen som produseres ved partikkelinteraksjoner i krystallene. WIMPS signaliserer deres tilstedeværelse ved å frigjøre mindre ladning enn andre partikler for samme mengde vibrasjoner.
"Detektorene våre fungerer som et teleskop utstyrt med filtre som lar astronomer skille en lysfarge fra en annen," sa CDMS II prosjektleder Dan Bauer fra Fermilab. "Bare i vårt tilfelle prøver vi å filtrere ut konvensjonelle partikler til fordel for mørk materie WIMPS."
Fysiker Earl Peterson fra University Minnesota fører tilsyn med Soudan Underground Laboratory, også hjemsted for Fermilabs nøytrinoeksperiment med lang baseline, hovedinjeksjonssprøyt Neutrino Oscillation Search.
"Jeg er spent på det viktige nye resultatet fra CDMS II, og jeg gratulerer samarbeidet," sa Peterson. "Jeg er glad for at fasilitetene til Soudan Laboratory bidro til suksessen med CDMS II. Og jeg er spesielt glad for at arbeidet til Fermilab og University of Minnesota med å utvide Soudan Laboratory har resultert i suveren ny fysikk. ”
Når CDSMII søker etter WIMP-er i løpet av de neste årene, vil enten den mørke saken i universet bli oppdaget, eller et stort spekter av supersymmetriske modeller vil bli ekskludert fra muligheten. Uansett vil CDMS II-eksperimentet spille en viktig rolle i å fremme vår forståelse av partikkelfysikk og kosmos.
CDMS II-samarbeidende institusjoner inkluderer Brown University, Case Western Reserve University, Fermi National Accelerator Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, National Institutes of Standards and Technology, Princeton University, Santa Clara University, Stanford University, University of California-Berkeley, the University of California-Santa Barbara, University of Colorado i Denver, University of Florida, and University of Minnesota.
Fermilab er et DOE Office of Science nasjonalt laboratorium som drives under kontrakt av Universities Research Association, Inc.
Originalkilde: Fermilab News Release
