Pencarian partikel gelap materi telah mengarahkan kita untuk mencari WIMP yang mungkin mundur dengan inti atom. Kolaborasi LZ akan memberikan batas terbaik pada penampang-nukleon WIMP dari semua, tetapi skenario termotivasi terbaik untuk memiliki partikel yang digerakkan oleh gaya lemah di atau dekat skala elektro membuat 100% dari materi gelap sudah dikesampingkan . KOLABORASI (LUX-ZEPLIN (LZ) / LABORATORIUM AKELERATOR NASIONAL SLAC)

Harapan 'WIMP Miracle' Untuk Dark Matter Is Dead

Tetapi kita tidak harus menyerah pada deteksi langsung. Inilah sebabnya.

Materi gelap bukan hanya bentuk materi paling melimpah di Semesta, ia juga paling misterius. Sementara semua partikel lain yang kita ketahui - atom, neutrino, foton, antimateri, dan semua partikel lain dalam Model Standar - berinteraksi melalui setidaknya satu dari kekuatan kuantum yang diketahui, materi gelap tampaknya berinteraksi melalui gravitasi saja.

Menurut banyak orang, akan lebih baik menyebutnya materi tak terlihat, daripada materi gelap. Ini tidak hanya tidak memancarkan atau menyerap cahaya, tetapi juga tidak berinteraksi dengan partikel yang diketahui dan dapat dideteksi secara langsung melalui gaya nuklir elektromagnetik, kuat, atau lemah. Kandidat dark matter yang paling dicari adalah WIMP: the Weakly Interacting Massive Particle. Harapan besar adalah untuk keajaiban WIMP, prediksi hebat supersimetri.

Ini tahun 2019, dan harapan itu sekarang pupus. Eksperimen deteksi langsung telah sepenuhnya mengesampingkan WIMP yang kami harapkan.

Ketika Anda bertabrakan dua partikel bersama-sama, Anda menyelidiki struktur internal partikel bertabrakan. Jika salah satunya tidak mendasar, tetapi lebih merupakan partikel komposit, percobaan ini dapat mengungkapkan struktur internalnya. Di sini, percobaan dirancang untuk mengukur sinyal hamburan materi / nukleon. Namun, ada banyak kontribusi latar belakang duniawi yang dapat memberikan hasil yang serupa. Sinyal khusus ini akan muncul dalam detektor Germanium, XENON cair dan ARGON cair. (GAMBARAN GAMBARAN UMUM: PENCARI KERJA, PENCARIAN LANGSUNG DAN TIDAK LANGSUNG - QUEIROZ, FARINALDO S. ARXIV: 1605.08788)

Semesta, dari perspektif astrofisika, harus dibuat lebih dari sekadar materi normal yang kita ketahui. Materi normal, dalam hal ini, memenuhi syarat sebagai salah satu partikel yang dikenal dalam Model Standar. Ini mencakup segala sesuatu yang terbuat dari quark, lepton, atau boson yang dikenal, dan termasuk benda-benda eksotis seperti bintang neutron, lubang hitam, dan antimateri. Semua materi normal di Semesta telah dikuantifikasi melalui berbagai metode, dan hanya berjumlah sekitar seperenam dari apa yang harus ada, secara keseluruhan, untuk menjelaskan interaksi gravitasi yang kita lihat pada skala kosmik.

Masalah besar, tentu saja, adalah bahwa semua bukti kami untuk materi gelap tidak langsung. Kita dapat mengamati pengaruhnya di laboratorium ruang astrofisika, tetapi kami belum pernah mendeteksinya secara langsung, di laboratorium di sini di Bumi. Itu bukan, pikiran Anda, karena kurang berusaha.

Aula B LNGS dengan instalasi XENON, dengan detektor dipasang di dalam pelindung air besar. Jika ada penampang yang tidak nol antara materi gelap dan materi normal, eksperimen tidak hanya akan memiliki kesempatan untuk mendeteksi materi gelap secara langsung, tetapi juga ada kemungkinan materi gelap pada akhirnya akan berinteraksi dengan tubuh manusia Anda. (INFN)

Jika Anda ingin secara langsung mendeteksi materi gelap, itu tidak sesederhana mendeteksi partikel yang diketahui dari Model Standar. Untuk apa pun yang terbuat dari quark, lepton, atau boson yang dikenal, kita dapat mengukur kekuatan apa yang mereka berinteraksi melalui dan dengan seberapa besar. Kita dapat menggunakan apa yang kita ketahui tentang fisika, dan khususnya tentang kekuatan yang diketahui dan interaksi antara partikel yang diketahui, untuk memprediksi jumlah seperti penampang, laju peluruhan dan produk, hamburan amplitudo, dan sifat-sifat lain yang dapat kami ukur dalam eksperimen. fisika partikel.

Pada 2019, kami telah bertemu dengan kesuksesan luar biasa di front-front yang telah mengkonfirmasi Model Standar dengan cara yang hanya bisa diimpikan oleh para ahli teori dan eksperimentalis setengah abad yang lalu. Detektor pada tabrakan dan fasilitas bawah tanah terisolasi telah memimpin jalan ke depan.

Partikel dan antipartikel dari Model Standar kini semuanya telah terdeteksi secara langsung, dengan ketidaksepakatan terakhir, boson Higgs, jatuh di LHC awal dekade ini. Semua partikel ini dapat dibuat dengan energi LHC, dan massa partikel mengarah ke konstanta fundamental yang mutlak diperlukan untuk menggambarkannya sepenuhnya. Partikel-partikel ini dapat dijelaskan dengan baik oleh fisika dari teori medan kuantum yang mendasari Model Standar, tetapi mereka tidak menjelaskan semuanya, seperti materi gelap. (E. SIEGEL / DI LUAR GALAXY)

Ada seluruh spektrum partikel - baik fundamental maupun komposit - yang diprediksi oleh Model Standar. Interaksi mereka melalui gaya nuklir kuat, elektromagnetik, dan nuklir lemah dapat dihitung melalui teknik yang dikembangkan dalam teori medan kuantum, yang memungkinkan kita untuk membuat dan mendeteksi partikel-partikel itu dalam berbagai cara.

Setiap quark dan antiquark tunggal kini telah diproduksi secara langsung dalam akselerator, dengan quark teratas, penahanan terakhir, jatuh pada 1995.

Setiap lepton dan antilepton telah dilihat oleh para detektor, dengan tau neutrino (dan lawan antimateri-nya, tau antineutrino) menyelesaikan sektor lepton pada awal hingga pertengahan tahun 2000-an.

Dan setiap bos Model Standar telah dibuat dan terdeteksi juga, dengan bos Higgs, bagian terakhir dari teka-teki itu, secara pasti muncul di LHC pada tahun 2012.

Deteksi 5-sigma pertama Higgs boson yang kuat diumumkan beberapa tahun yang lalu oleh kolaborasi CMS dan ATLAS. Tapi bos Higgs tidak membuat satu 'lonjakan' dalam data, tetapi agak menyebar, karena ketidakpastian yang melekat dalam massa. Nilai massanya pada 125 GeV / c² membingungkan bagi fisikawan, tetapi tidak membingungkan seperti teka-teki materi gelap. (CMS COLLABORATION,

Kami memahami bagaimana berperilaku partikel Model Standar. Kami memiliki prediksi yang kuat untuk bagaimana mereka harus berinteraksi melalui semua kekuatan fundamental, dan konfirmasi eksperimental dari teori-teori itu. Kami juga memiliki kendala luar biasa tentang bagaimana mereka diizinkan untuk berinteraksi dengan cara yang melampaui standar Model. Karena kendala kami dari akselerator, sinar kosmik, eksperimen peluruhan, reaktor nuklir, dan banyak lagi, kami dapat mengesampingkan banyak ide yang mungkin telah diteorikan.

Namun, ketika sampai pada apa yang mungkin membentuk materi gelap, yang kita miliki hanyalah pengamatan astrofisika dan kerja teoretis kita, bersama-sama, untuk membimbing kita. Teori-teori yang mungkin kami hadirkan mencakup sejumlah besar kandidat materi gelap, tetapi tidak ada yang memiliki dukungan eksperimental apa pun.

Kekuatan di Alam Semesta, dan apakah mereka dapat berpasangan dengan materi gelap atau tidak. Gravitasi adalah suatu kepastian; semua yang lain tidak atau sangat dibatasi pada tingkat interaksi. (INSTITUT PERIMETER)

Kandidat materi gelap yang paling dicari adalah WIMP: Weakly Interacting Massive Particle. Pada hari-hari awal - yaitu, kembali pada tahun 1970-an - disadari bahwa beberapa teori fisika partikel yang meramalkan partikel baru di luar Model Standar pada akhirnya dapat menghasilkan jenis baru dari partikel netral yang stabil jika ada beberapa jenis paritas baru (sejenis simetri) yang mencegah mereka membusuk.

Ini sekarang termasuk ide-ide seperti supersimetri, dimensi ekstra, atau skenario Higgs kecil. Semua skenario ini memiliki kesamaan cerita yang sama:

  • Ketika Semesta panas dan padat sejak awal, semua partikel (dan antipartikel) yang dapat diciptakan diciptakan dalam kelimpahan yang besar, termasuk yang lainnya, yang melampaui Model Standar.
  • Ketika Semesta mendingin, partikel-partikel itu membusuk menjadi semakin ringan dan lebih stabil.
  • Dan jika yang paling ringan stabil (karena simetri paritas yang baru) dan netral secara listrik, itu akan bertahan hingga hari ini.

Jika Anda mengevaluasi massa dan penampang partikel-partikel baru itu, Anda bisa mendapatkan kerapatan yang diperkirakan untuk kelimpahannya yang diperkirakan hari ini.

Untuk mendapatkan kelimpahan kosmologis yang benar dari materi gelap (sumbu-y), Anda perlu agar materi gelap memiliki interaksi lintas-bagian yang benar dengan materi normal (kiri) dan sifat penghancuran diri yang tepat (kanan). Eksperimen deteksi langsung sekarang mengesampingkan nilai-nilai ini, yang diharuskan oleh Planck (hijau), tidak menyukai materi gelap WIMP yang berinteraksi secara lemah. (P.S. BHUPAL DEV, ANUPAM MAZUMDAR, & SALEH QUTUB, FRONT.IN PHYS. 2 (2014) 26)

Di sinilah ide dark matter WIMP berasal. Partikel-partikel baru ini tidak dapat berinteraksi melalui interaksi elektromagnetik yang kuat atau; interaksi tersebut memiliki penampang yang terlalu tinggi dan sudah akan terlihat. Tetapi interaksi nuklir yang lemah adalah suatu kemungkinan. Awalnya, "W" dalam WIMP berarti interaksi yang lemah, karena kebetulan yang spektakuler (muncul dalam supersimetri) yang dikenal sebagai keajaiban WIMP.

Jika Anda memasukkan kepadatan materi gelap yang dibutuhkan Alam Semesta hari ini, Anda dapat menyimpulkan berapa banyak partikel materi gelap yang Anda butuhkan dari suatu massa tertentu untuk membuatnya. Skala massa yang diminati supersimetri - atau teori apa pun yang muncul pada skala elektroweak - berada di kisaran rata-rata 100 GeV hingga 1 TeV, sehingga kita dapat menghitung apa yang harus dilakukan lintas-bagian penghancuran diri untuk mendapatkan kelimpahan yang tepat. materi gelap.

Nilai tersebut (dari penampang dikalikan dengan kecepatan) ternyata sekitar 3 × 10 ^ –26 cm³ / s, yang sesuai dengan apa yang Anda harapkan jika partikel-partikel tersebut berinteraksi melalui gaya bilah elektro.

Saat ini, diagram Feynman digunakan dalam menghitung setiap interaksi fundamental yang mencakup gaya kuat, lemah, dan elektromagnetik, termasuk dalam kondisi energi tinggi dan suhu rendah / terkondensasi. Jika ada partikel baru yang berpasangan dengan interaksi lemah, mereka akan berinteraksi, pada tingkat tertentu, dengan partikel Model Standar yang diketahui, dan karena itu memiliki penampang dengan proton dan neutron. (DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL. NUCL.PHYS. B875 (2013) 738–756)

Tentu saja, jika ada partikel baru yang berinteraksi melalui gaya electroweak, mereka juga akan berpasangan dengan partikel Model Standar. Jika sebuah partikel baru berpasangan dengan, misalnya, boson W atau Z (yang membawa gaya lemah), maka ada kemungkinan terbatas, tidak-nol bahwa partikel-partikel ini akan bertabrakan dengan partikel apa pun yang dipasangkan dengan bos W atau Z, seperti quark di dalam proton atau neutron.

Ini berarti kita dapat membuat eksperimen materi gelap mencari rekoil nuklir dari partikel materi normal yang diketahui. Rekor di luar yang disebabkan oleh materi normal akan menjadi bukti keberadaan materi gelap. Tentu, ada peristiwa latar belakang: neutron, neutrino, inti radioaktif yang membusuk dalam materi di sekitarnya, dll. Tetapi jika Anda tahu kombinasi energi dan momentum dari sinyal yang Anda cari, dan Anda merancang eksperimen dengan cerdas, Anda dapat mengukur latar belakang dan ekstrak sinyal materi gelap potensial yang mungkin ada di sana.

Batas cross-sectional proton dan neutron dari kolaborasi LUX, yang secara efektif mengesampingkan ruang parameter terakhir era 2000 untuk WIMP yang berinteraksi melalui gaya lemah menjadi 100% dari materi gelap. Perhatikan, di area yang sedikit ternaungi di latar belakang, bagaimana para teoretikus membuat prediksi baru, 'direvisi' di penampang bawah dan bawah. Tidak ada motivasi fisik yang baik untuk melakukan ini. (LUX COLLABORATION, PHYS. REV. LETT. 118, 251302 (2017))

Eksperimen ini sekarang telah berlangsung selama beberapa dekade, dan tidak melihat materi gelap. Kendala modern yang paling ketat berasal dari LUX (di atas) dan XENON 1T (di bawah). Hasil-hasil itu memberi tahu kami bahwa penampang interaksi untuk proton dan neutron luar biasa kecil, dan berbeda untuk skenario bergantung-spin dan independen-spin.

LUX membuat kami turun ke batas penampang bergantung-spin di bawah 1,0-1,6 × 10 ^ −41 cm² untuk proton dan neutron dan yang tidak bergantung spin di bawah 1,0 × 10 ^ −46 cm²: cukup rendah untuk menyingkirkan semua model SUSY materi gelap yang diusulkan pada tahun 2001. Kendala yang lebih sensitif sekarang berasal dari XENON: kendala neutron yang bergantung pada putaran adalah 6 × 10−42 cm², sedangkan penampang bebas putaran di bawah 4,1 × 10−47 cm², semakin mengencangkan sekrup .

Penampang WIMP / nukleon bebas spin sekarang mendapatkan batas paling ketat dari percobaan XENON1T, yang telah meningkat pada semua percobaan sebelumnya, termasuk LUX. Sementara para ahli teori dan fenomenologi tidak diragukan lagi akan terus menghasilkan prediksi baru dengan penampang yang lebih kecil dan lebih kecil, gagasan mukjizat WIMP telah kehilangan semua motivasi yang masuk akal dengan hasil eksperimen yang telah kita miliki. (E. APRILE ET AL., PHYS. REV. LETT. 121, 111302 (2018))

Ini adalah pengukuran yang berbeda dari memiliki partikel materi gelap memusnahkan diri sendiri, tetapi pengukuran itu memberi tahu kita sesuatu yang sangat berharga. Model supersimetri atau dimensi ekstra yang memberikan kelimpahan materi gelap yang tepat melalui interaksi yang lemah dikesampingkan oleh percobaan ini. Jika ada materi gelap WIMP, itu harus lebih lemah dari interaksi lemah yang terdiri dari 100% materi gelap. Selain itu, LHC seharusnya tidak memproduksinya secara terdeteksi.

Para teoretikus selalu dapat mengubah model mereka, dan telah melakukan berkali-kali, mendorong penampang yang diantisipasi turun dan turun sebagai hasil nol setelah hasil nol masuk. Namun, itulah jenis ilmu terburuk yang dapat Anda lakukan, namun: cukup menggeser tiang gawang tanpa alasan fisik selain kendala eksperimental Anda menjadi lebih parah. Tidak ada lagi motivasi, selain lebih memilih kesimpulan bahwa data mengesampingkan, dalam melakukannya.

Ada sejumlah besar potensi tanda tangan fisika baru yang dicari fisikawan di LHC, dari dimensi ekstra hingga materi gelap hingga partikel supersimetrik hingga lubang hitam-mikro. Terlepas dari semua data yang kami kumpulkan dari tabrakan berenergi tinggi ini, tidak satu pun dari skenario ini yang menunjukkan bukti yang mendukung keberadaan mereka. (CERN / ATLAS EXPERIMENT)

Tetapi melakukan eksperimen deteksi langsung ini masih sangat berharga. Ada cara lain untuk menghasilkan materi gelap yang melampaui skenario paling konvensional. Selain itu, kendala ini tidak mengharuskan sumber materi gelap non-WIMPy. Banyak skenario menarik lainnya tidak membutuhkan keajaiban WIMP.

Selama beberapa dekade, "W" telah diakui untuk berdiri bukan untuk interaksi yang lemah, tetapi untuk berdiri untuk interaksi yang tidak lebih kuat dari yang diizinkan oleh kekuatan lemah. Jika kami memiliki partikel baru, di luar Model Standar, kami diizinkan untuk memiliki kekuatan dan interaksi baru juga. Eksperimen seperti XENON dan LUX adalah satu-satunya cara kami untuk menyelidikinya.

Selain itu, kandidat materi gelap yang dihasilkan oleh mekanisme yang berbeda pada rentang massa yang lebih rendah, seperti aksial atau neutrino steril, atau melalui interaksi gravitasi saja pada massa yang lebih tinggi, seperti WIMPzillas, sangat berperan.

Susunan cryogenic dari salah satu percobaan yang ingin mengeksploitasi interaksi hipotetis untuk kandidat materi gelap non-WIMP: axion. Axions, jika mereka adalah materi gelap, mungkin berubah menjadi foton melalui interaksi elektromagnetik, dan rongga yang ditunjukkan di sini dirancang untuk menguji kemungkinan itu. Namun, jika dark matter tidak memiliki sifat spesifik yang diuji coba saat ini, tidak ada detektor yang kami bangun yang akan menemukannya secara langsung. (EKSPERIMEN DARK MATTER AXION (ADMX) / FLICKR LLNL)

Perburuan kami untuk materi gelap di laboratorium, melalui upaya deteksi langsung, terus menempatkan kendala penting pada apa yang mungkin ada di luar fisika Model Standar. Namun, bagi mereka yang terikat dengan mukjizat, setiap hasil positif sekarang tampaknya semakin tidak mungkin. Pencarian itu sekarang mengingatkan pada pemabuk mencari kunci yang hilang di bawah tiang lampu. Dia tahu mereka tidak ada di sana, tapi itu satu-satunya tempat di mana cahaya memungkinkannya untuk terlihat bersinar.

Keajaiban WIMP mungkin mati dan hilang, karena partikel-partikel yang berinteraksi melalui gaya lemah pada skala elektroweak tidak disukai oleh kedua colliders dan deteksi langsung. Gagasan tentang WIMP dark matter, tetap hidup. Kami hanya harus ingat, ketika Anda mendengar WIMP, kami menyertakan materi gelap yang lebih lemah dan lebih lemah daripada yang bahkan interaksi lemah akan memungkinkan. Tidak diragukan lagi ada sesuatu yang baru di luar sana di Semesta, menunggu untuk ditemukan.

Keajaiban WIMP telah berakhir. Tapi kita mungkin masih mendapatkan keajaiban terbaik: jika percobaan ini menghasilkan sesuatu yang di luar hasil nol. Satu-satunya cara untuk mengetahui adalah dengan melihat.

Mulai Dengan A Bang sekarang di Forbes, dan diterbitkan ulang di Medium berkat para pendukung Patreon kami. Ethan telah menulis dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive.