Percubaan CROWS untuk mencari zarah ultralight hipotesis memberikan hasil negatif • Igor Ivanov • Berita Sains mengenai "Unsur" • Fizik

Eksperimen CROWS untuk mencari zarah ultralight hipotesis memberikan hasil yang negatif.

Rajah. 1. Komponen utama pemasangan CROWS: resonator gelombang berdiri (1) dan ruang pengesan yang dilindungi dari gelombang elektromagnet (2). Imej dari artikel dalam perbincangan Fiz. Wahyu D

Di CERN, percubaan CROWS selesai untuk mencari apa yang dipanggil "bisikan" – ultralight hipotesis dan zarah yang sangat lemah berinteraksi di luar Model Standard. Seperti eksperimen terdahulu, CROWS menunjukkan hasil negatif, dengan itu menutup bidang parameter lain dalam model Fizik Baru. Secara amnya, percubaan-percubaan sedemikian membolehkan kita untuk menyiasat aspek-aspek baru dunia kita dan seterusnya melengkapkan eksperimen dengan tenaga yang sangat tinggi.

Fizik zarah pada skala yang lebih kecil daripada voltan elektron

Eksperimen moden dalam fizik zarah asas dijalankan dalam julat massa hingga teraelektrovolt (TeV) dan lebih tinggi. Banyak ahli fizik sedang menunggu di mana untuk mencari manifestasi pertama fizik di luar Model Standard. Tetapi bersama-sama dengan massa dan tenaga TeVal ini, terdapat skala lain yang juga menarik perhatian para saintis untuk mencari Fizik Baru – massa ini lebih kecil daripada volt elektron.

Pertama sekali, neutrinos tinggal di sini. Massa neutrino yang tepat belum diketahui, tetapi perbezaannya terletak di rantau millielectronvolts (meV; tidak boleh dikelirukan dengan voltan MeV – mega-elektrik).Oleh kerana massa neutrino sedemikian, mesti terdapat beberapa mekanisme dalam teori interaksi zarah, yang atas sebab tertentu lebih suka skala ini. Dan ini, pada dasarnya, boleh bermakna bahawa terdapat "hidup" di sini dan beberapa zarah lain, yang lebih tidak kelihatan untuk pemerhatian langsung daripada neutrino.

Kedua, pemalar kosmologi yang terkenal, jika ditukar menjadi unit tenaga, juga menunjukkan rantau pesanan ramai meV. Bagaimana untuk menafsirkan nombor ini dalam konteks semacam itu tidak sepenuhnya jelas, tetapi tidak berfaedah untuk hanya membuang tanda-tanda alam semulajadi ini.

Ketiga, dalam berbagai teori Fisika Baru terdapat zarah-zarah ultra-cahaya yang berbeda. Sebagai contoh, ini adalah axions (zarah skalar hipotetikal, yang membantu menjelaskan mengapa pelanggaran CP tidak ditunjukkan dalam interaksi yang kuat) atau ultra-ringan gravitino, yang kadang-kadang timbul dalam teori-teori supergraviti. Akhir sekali, baru-baru ini model Fizik Baru popular di mana materi gelap bukan hanya satu jenis zarah, tetapi sebaliknya "dunia gelap" yang mana "kuasa gelap" baru bertindak antara zarah.Kekuatan baru ini, yang mana perkara biasa tidak sensitif, mungkin juga menjadi jarak jauh, dan kemudian partikel pembawa bertanggungjawab untuk mereka – yang secara konvensional dipanggil foton gelap – akan sangat ringan, dengan jisim di jutaan atau mikroelektrik, atau bahkan kurang.

Semua zarah-zarah yang berbeza ini mempunyai ciri-ciri umum: massa kecil dan sangat lemah (tetapi bukan sifar!) Interaksi dengan perkara biasa atau radiasi. Oleh itu, mereka sering bersatu dengan istilah yang sama. wisps, dari WISP singkatan Inggeris, lemah zarah-zarah sub-e yang berinteraksi dengan lemah, berinteraksi zarah zarah sub-elektron yang lemah (terdapat selari dengan WIMP, WIMP, lemah berinteraksi zarah besar). Kajian terperinci mengenai model dengan vispami boleh didapati dalam artikel baru-baru ini arXiv: 1311.0029.

Kesan lemah yang disebabkan oleh vispis boleh dicuba untuk menangkap eksperimen yang khas dan eksotik (lihat contoh di bawah). Oleh kerana zarah-zarah tersebut jelas melampaui Model Standard, mereka dapat memberikan petunjuk kepada asal-usul bahan gelap. Sudah tentu, tidak ada jaminan bahawa percubaan untuk mencari kesan baru tersebut akan memberikan hasil yang positif. Namun setakat ini belum ada hasil yang positif dalam mencari Fizik Baru baik pada para pelanggar dan pencarian langsung untuk masalah gelap.Oleh itu, masuk akal untuk meletakkan eksperimen seperti itu, terutamanya jika mereka tidak memerlukan terlalu banyak pelaburan kewangan. Akhirnya, salah satu tugas fizik eksperimen adalah untuk memeriksa semua sifat dunia kita, yang mana fizik eksperimen ini boleh dicapai.

Eksperimen serupa mula dijalankan di makmal-makmal yang berbeza di dunia tidak lama dahulu, tetapi lebih daripada sedozen dari mereka telah dilakukan (sekali lagi, lihat kajian semula dalam artikel arXiv: 1311.0029). CERN turut mengambil bahagian dalam aktiviti ini, di mana teluskop teleskop solar yang diperbaiki dengan solar telah beroperasi selama sepuluh tahun. Di samping itu, pada tahun 2013, CROWS percubaan makmal baru (pendek untuk CERN Resonant WISP Search) dilancarkan.

Sebagai sebahagian daripada eksperimen ini, pada musim panas dan musim luruh tahun ini, satu siri carian untuk pengintip telah dijalankan, dan hasilnya baru-baru ini diterbitkan. Ke depan, katakanlah, seperti eksperimen terdahulu, carian ini juga memberikan hasil negatif – jika tidak, berita ini akan ditulis dalam nada yang sama sekali berbeza. Dan seperti biasa dalam kes sedemikian, keputusan negatif ini membolehkan kami menutup satu lagi bahagian parameter model yang boleh diakses sebelum ini. Eksperimen-eksperimen seperti ini dan lain-lain (setakat ini) tidak mempunyai akibat revolusioner, tetapi mereka memberikan alasan yang mudah untuk memberitahu tentang kaedah-kaedah yang tidak standard untuk mempelajari mikroworld,yang muncul dalam alat fizik moden.

"Glow laser melalui dinding"

Carian untuk axions dan "foton gelap" dibahagikan kepada dua kumpulan: langsung dan tidak langsung. Sama seperti dalam pencarian perkara gelap, pencarian tidak langsung adalah percubaan untuk mengesan kesan zarah-zarah ini pada pemerhatian astrofizik, dan yang langsung adalah eksperimen yang dijalankan secara langsung di makmal. Eksperimen CROWS dirujuk dalam nota ini merujuk kepada carian langsung.

Walaupun visps adalah calon yang baik untuk perkara gelap, ia akan sangat sukar untuk mendaftar mengikut prinsip yang sama di mana bahan gelap berat dicari kerana pelepasan tenaga yang tidak penting. Oleh itu, eksperimen di sini kelihatan sedikit berbeza. Daripada mencari wisps kosmik, saintis cuba terus dapatkandan kemudian dikesan di makmal. Ia boleh dikatakan bahawa tujuan eksperimen seperti ini adalah untuk membuktikan kewujudan spits dalam alam semula jadi, dan persoalannya ialah bagaimana sekunder mereka menjadi perkara gelap.

Bagaimanakah vispa boleh dibuat dan didaftarkan di makmal? Hanya kerana interaksi mereka yang sangat lemah dengan foton.Oleh kerana interaksi ini, visps dan foton biasa kadang-kadang boleh berubah menjadi satu sama lain (sama ada secara berasingan atau di bawah keadaan luaran tertentu), yang bermaksud bahawa anda boleh cuba mencari visps dalam eksperimen optik.

Contohnya, dalam kes axions, idea pengesanan adalah seperti berikut. Rasuk laser berkuasa melalui lalat dengan medan magnet yang kuat dalam vakum (Rajah 2). Dalam fizik klasik, medan magnet luar ini tidak akan menjejaskan pancaran laser. Walau bagaimanapun, jika kita mengandaikan bahawa paksi-paksi ada dan berinteraksi sedikit dengan foton, maka menjadi kemungkinan proses di mana foton laser dalam medan magnet berubah menjadi axion (kesan Primakov). Sudah tentu, kemungkinan proses ini adalah untuk satu foton itu sangat kecil, tetapi jika terdapat banyaknya dalam pancaran laser, maka kita boleh berharap untuk beberapa jenis "aliran axion" yang terjadi di dalam pancaran laser di kawasan dengan medan magnet.

Rajah. 2 Idea eksperimen untuk mencari axions dengan kaedah "cahaya melalui dinding": rasuk laser pergi melalui rantau dengan medan magnet, dan kadang-kadang foton (γ) bertukar menjadi axions (a). Kemudian sinar laser terletak di dinding, tetapi serangkai melaluinya.Di bahagian kedua dengan medan magnet, paksi-paksi sudah boleh dipulihkan ke dalam foton, yang dicatatkan oleh pengesan. Imej dari R. Essig et al. Sektor gelap dan zarah yang baru, ringan, lemah

Kemudian dinding legap berdiri di jalan pancaran laser. Semua foton diserap, tetapi axions terbang lebih jauh, tanpa perasan dinding – hanya kerana mereka tidak berinteraksi dengan perkara biasa. Secara langsung di belakang dinding terdapat kawasan yang mempunyai medan magnet yang kuat, dan di wilayah ini salah satu daripada axions mempunyai peluang untuk menjadi foton sekali lagi – dan foton adalah kekerapan yang sama.

Oleh itu, skema percubaan kelihatan seperti ini: dalam medan magnet, kita mendirikan tembok yang tidak dapat ditentukan secara jelas dan bersinar sinar laser yang kuat ke dalamnya. Di belakang dinding adalah pengesan foton dan cuba untuk menangkap sekurang-kurangnya sesuatu. Sekiranya perisai dari cahaya laser asal adalah baik dan jika butiran teknikal yang lain diambil kira dengan secukupnya, maka isyarat pengesan berdaftar yang lemah tetapi dipercayai adalah keterangan yang memihak kepada kewujudan axions. Untuk mencari foton gelap, skim ini lebih mudah dipermudahkan. Transformasi menjadi foton dan belakang gelap boleh berlaku secara spontan, tanpa bantuan luaran, jadi tidak perlu meletakkan seluruh pemasangan dalam medan yang kuat.Untuk semua eksperimen sedemikian dalam kesusasteraan saintifik melekat lucu, tetapi nama yang adil "Light Shining through Wall", iaitu eksperimen pada "cahaya melalui dinding."

CROWS eksperimen

Percubaan CROWS baru-baru ini di CERN sedikit mengubahsuai skim standard ini, yang memungkinkan untuk mencapai kepekaan yang lebih tinggi (Rajah 3). Pertama, bukan cahaya laser, sinaran gelombang mikro digunakan di sini. Jika foton gelap adalah cahaya, mereka tidak peduli di mana foton menjadi kenyataan – dari optik atau gelombang mikro. Tetapi dengan kuasa radiasi yang sama foton gelombang mikro akan menjadi lebih lagidaripada optik, kerana tenaga setiap foton gelombang mikro individu beribu-ribu kali kurang.

Rajah. 3 Skim umum percubaan CROWS. Imej dari artikel dalam perbincangan Fiz. Wahyu D

Sudah tentu, dengan gelombang mikro seseorang perlu lebih berhati-hati berbanding dengan sinaran optik. Berhati-hati dalam arti bahawa kerana panjang gelombang yang lebih panjang, ketuhar gelombang mikro mudah menghalang halangan, menembusi lebih jauh ke dalam materi, dan lebih mudah mencerminkan dari objek logam. Oleh itu, dinding mudah di laluan pancaran gelombang mikro tidak akan turun. Sebaliknya, peralatan pengesan diletakkan di dalam ruang terkurung hermetically, terlindung sebanyak mungkin dari medan elektromagnet luar (lihat Rajah 1).Perlu diberi penekanan bahawa perlu untuk melindungi diri bukan sahaja dari radiasi resonator itu sendiri, tetapi juga dari banyak sumber gelombang gigahertz, yang mana "eter" diisi pada zaman kita. Atas sebab ini, sebagai tambahan kepada pemeriksaan dalaman yang ditunjukkan dalam Rajah. 1, keseluruhan pemasangan, bersama-sama dengan magnet luar yang menghasilkan medan magnet yang kuat, dikelilingi oleh perisai elektromagnet yang lain. Akhirnya, walaupun pemindahan data dari sensor ke penganalisis dan digitizer isyarat tidak diabaikan. Ia dilakukan bukan oleh garis sepaksi logam, tetapi oleh gentian; Oleh itu, kemungkinan terakhir bagi radiasi gelombang mikro untuk "membocorkan" ke dalam volum yang ditapis atau sebaliknya menjejaskan data yang ditangkap dipotong.

Langkah berjaga-jaga sedemikian diambil sama sekali demi cubaan. Adalah berguna untuk mengingati sejarah yang telah dilupakan sekarang dengan hasil sensasi percubaan PVLAS, sebab yang, seolah-olah beberapa tahun kemudian, adalah medan elektromagnet parasit yang "merangkak" ke ruang rakaman.

Kedua, dua komponen utama CROWS – pemancar dan pengesan – terletak di dalam resonator gelombang mikro (octagons dalam Rajah 3).Mereka adalah dua ruang silinder tembaga tertutup kira-kira 10 hingga 15 cm saiz, juga dibuat di CERN, yang secara berkesan mencerminkan ketuhar gelombang mikro dan dengan itu menyimpannya di dalam ruang. Resonator adalah mudah kerana ia membolehkan anda mengepam gelombang, mengumpul foton, tidak membenarkan mereka terbang dengan segera. Resonator seolah-olah memaksa foton untuk membuat percubaan lebih banyak untuk menjadi wisps, dan juga meningkatkan kebarangkalian menjadikan visps kembali ke foton.

Akhir sekali, dalam eksperimen sedemikian selalu ada bahaya tidak melihat kesan akibat beberapa jenis kecacatan instrumental. Untuk mengelakkan pengawasan yang menjengkelkan, penguji menyediakan isyarat ujian. Langsung ke dalam kamera yang sama di mana sensor dipasang, mereka membawa antena mudah dan memancarkan gelombang yang sangat lemah pada kekerapan yang sedikit berbeza dari satu resonan yang dikehendaki sepanjang sesi keseluruhan – hanya supaya ia tidak menyekat radiasi yang dikehendaki.

Keputusan CROWS

Sebagai sebahagian daripada percubaan CROWS, beberapa sesi 10-30 jam operasi berterusan telah dijalankan. Sepanjang masa ini, bacaan diambil dari sensor sensitif medan elektromagnet di dalam zon terlindung.Sudah tentu, setiap pengesan mempunyai bunyi dalaman yang tidak dapat dielakkan, jadi boleh dikatakan bahawa ahli fizik secara literal merekodkan bunyi pengesan selama beberapa jam. Walau bagaimanapun, urutan bacaan yang panjang itu membolehkannya dengan ketepatan yang sangat tinggi untuk menjalankan analisis spektrum bunyi-bunyi ini dan memilih tepat kekerapan resonan di mana pemancar berfungsi di luar ruang.

Grafik biasa ketumpatan spektrum sensor ditunjukkan dalam Rajah. 4. Di sebelah kiri adalah pandangan umum kepadatan spektrum di sekitar kekerapan resonan, di tengah – julat frekuensi yang sempit berdekatan dengan kekerapan isyarat ujian, di sebelah kanan – suatu kawasan sempit berhampiran dengan kekerapan resonan. Isyarat ujian, walaupun kelemahannya, dapat dilihat, yang menunjukkan operasi yang boleh dipercayai dari keseluruhan sistem rakaman dan analisis, tetapi tidak dapat dilihat pada kekerapan resonansi. Ini bermakna bahawa, walaupun segala usaha, tiada Whispers telah didaftarkan dalam eksperimen ini.

Rajah. 4 Ketumpatan kuasa spektrum mengikut bacaan sensor yang direkodkan semasa sesi sepuluh jam. Di sebelah kiri: pandangan umum ketumpatan spektrum di rantau ditambah atau tolak 1 kHz dari frekuensi pusat 1739990400 Hz; Kedudukan frekuensi isyarat ujian dan frekuensi resonan dilabelkan sebagai fujian dan fsys. Spektrum ini juga ditunjukkan di rantau sempit ± 0.7 mHz berhampiran frekuensi isyarat ujian (di tengah) dan berhampiran kekerapan resonan (di sebelah kanan). Imej dari artikel dalam perbincangan Fiz. Wahyu D

Dalam jadual kering dan jadual yang membosankan ini adalah beberapa kemajuan teknikal yang mengagumkan. Pertama, perhatikan skala frekuensi. Kekerapan resonansi gelombang adalah kira-kira 1.7 GHz (nombor yang tepat ditunjukkan dalam graf), dan kepadatan spektrum diukur dalam 30 kenaikan mikrohertz (!), Yaitu, puluhan trilion kali kurang daripada kekerapan pembawa. Walaupun pada langkah budi bicara yang kecil ini, spektrum tidak "dioleskan": bunyi bising masih tulen, dan isyarat ujian adalah puncak sempit dengan lebar satu titik.

Kedua, perhatikan skala skala menegak (ia ditunjukkan di sebelah kiri). Nilai spektrum kuasa biasa adalah -220 dBm. Piawaian ini untuk ukuran unit kejuruteraan radio menunjukkan berapa banyak kuasa berdaftar yang lebih rendah daripada paras rujukan 1 milliit; -220 dBm bermaksud "22 pesanan magnitud kurang daripada 1 mW", iaitu, kuasa spektrum kira-kira 10-25 W. Dalam kes ini, kuasa radiasi gelombang mikro, yang dipam ke dalam resonator, adalah kira-kira 40 W dalam eksperimen yang diterangkan.Oleh itu, eksperimen telah menunjukkan bahawa walaupun radiasi gelombang mikro menembusi ruang tertutup kerana beberapa mekanisme, kecekapan kebocoran ini tidak melebihi 10-26.

Selanjutnya, nilai ini dikira semula dalam had besar magnitud hubungan antara foton dan vispami dan diplot pada graf. Dalam ara. 5 menunjukkan hasil ini untuk teori-teori dengan foton gelap. Pelbagai kawasan kelabu sesuai dengan eksperimen lalu, dan hasil CROWS ditunjukkan dengan warna biru. Kepekaan tertinggi dicapai pada jisim foton gelap hipotetikal kira-kira 11 μeV, yang secara kasar sepadan dengan tenaga foton gelombang mikro tunggal. Di sini CROWS meningkatkan hasil eksperimen masa lalu hampir dengan urutan magnitud.

Rajah. 5 Kawasan dua parameter foton gelap hipotetik, ditutup dalam eksperimen yang berbeza: jisim mereka, dinyatakan dalam voltan elektron, dan parameter pencampuran χ, yang mencirikan hubungan antara mereka dengan foton biasa. Kawasan yang diliputi oleh percubaan CROWS baru ditunjukkan dalam warna biru. Imej dari artikel dalam perbincangan Fiz. Wahyu D

Untuk axions, kekangan yang diperoleh oleh CROWS tidak begitu ketara; terdapatnya lebih rendah daripada beberapa eksperimen lain,khususnya, percubaan CERN CAST. Walau bagaimanapun, di antara semua pemasangan makmal yang tulen, CROWS telah menjadi pemegang rekod dalam kepekaan.

Para penulis mencatat bahawa percubaan ini masih mempunyai ruang untuk berkembang. Ia boleh memanjangkan sesi rakaman data lebih banyak, anda boleh mengurangkan kekerapan radiasi (dengan meningkatkan kepekatan foton), meningkatkan panjang resonator (meningkatkan kebarangkalian penukaran foton-to-vis) dan akhirnya meningkatkan nilai medan magnet (setakat ini eksperimen telah menggunakan 3 superkonduktor magnet tesla adalah sebahagian daripada unit MRI konvensional dan disewa di Universiti Geneva). Semua ini akan menjadikan percubaan ini lebih sensitif terhadap vispam hipotetikal, terutamanya dengan paksi.

Sumber: M. Betz et al. Keputusan pertama Carian Zarah sub-eV Resonen Rapi CERN (CROWS) // Fiz. Wahyu D 88, 075014 (2013); Artikel ini boleh didapati sebagai e-print arXiv: 1310.8098.

Lihat juga:
1) R. Essig et al. Sektor Gelap dan Zarah Baru, Ringan, Gembira yang Digabungkan / e-cetak arXiv: 1311.0029 [hep-ph], kajian yang disediakan untuk mesyuarat Snowmass-2013.
2) J. Jaeckel, A. Ringwald. Frontier Tenaga Rendah Fizik Zarah // Ann. Wahyu Nucl. Bahagian. 60, 405 (2010); Tinjauan ini tersedia sebagai arXiv e-cetak: 1002.0329.
3) Zarah ultra-cahaya bahan gelap, masalah pada "Unsur".

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: