Pengesan zarah materi gelap • Igor Ivanov • Tugas sains popular mengenai "Unsur" • Fizik

Pengesan zarah bahan gelap

Terdapat sejumlah besar data astrofizikal yang menunjukkan bahawa, sebagai tambahan kepada bintang, planet, awan gas dan debu, lubang hitam, dan lain-lain, terdapat banyak perkara gelap di Semesta. Bahan ini tidak kelihatan dalam pelbagai gelombang elektromagnetik, ia tersebar di angkasa dan graviti menjejaskan gerakan bintang hanya pada skala galaksi. Dianggap bahawa perkara ini terdiri daripada zarah-zarah yang baru, dan zarah-zarah ini berinteraksi dengan perkara biasa yang sangat lemah. Seketika kita akan mengatakan bahawa tidak jisim zarah-zarah perkara gelap, mahupun kebarangkalian pelanggaran dengan nukleus perkara diketahui terlebih dahulu. Walau bagaimanapun, ia dianggap diketahui ketumpatan bahan gelap dalam kejiranan galaksi sistem solar (kira-kira 10-21 kg / m3), dan fakta bahawa zarah-zarah perkara gelap mempunyai pengagihan haba kira-kira dengan halaju biasa 100-200 km / s.

Rajah. 1. Zarah-zarah gelap, menusuk melalui pengesan, kadang-kadang bertabrakan dengan nukleus bahan kerja dan memindahkan sebahagian tenaga mereka kepada mereka. Tenaga ini disebabkan oleh lata proses menengah yang dikeluarkan di pengesan dan boleh didaftarkan oleh sensor. Rajah. pengarang tugas

Sistem solar, bergerak sepanjang trajectory galaksi, sentiasa merasakan "angin kepala" zarah-zarah perkara gelap. Kerana kelemahan interaksi, angin ini bertiup melalui matahari dan planet-planet, dan hanya sesekali zarah-zarah benda gelap yang tersandung pada perkara biasa. Sekiranya pertembungan itu jarang berlaku, tetapi masih berlaku, ia menjadi mungkin untuk terus mendaftarkan zarah benda gelap (lihat Rajah 1). Untuk melakukan ini, di lombong bawah tanah, anda boleh memasang bekas terkurung hermetically dengan bahan kerja, yang, bersama-sama dengan Bumi, juga akan merasakan bau "angin materi gelap". Apabila zarah bahan gelap bertembung dengan nukleus bahan dan melantun semula secara elastik, ia akan memindahkan beberapa tenaga kepada bahan itu, dan sensor dipasang di dalam kapal akan dapat menangkap pelepasan tenaga tersebut.

Dalam kes yang ideal, hanya satu peristiwa sedemikian memadai untuk mengumumkan pendaftaran zarah zarah gelap. Namun, pada hakikatnya, selalu ada latar belakang sisa dari sinar kosmik dan dari kekotoran isotop radioaktif dalam pelbagai bahan, yang kadang-kadang akan menyebabkan penggera sensor palsu.Oleh itu, jika zarah materi gelap bertembung dengan bahan pengesan terlalu jarang, proses ini tidak boleh dipisahkan dari latar belakang. Di samping itu, sensor sendiri mempunyai ambang kepekaan tertentu: mereka tidak dapat melihat pelepasan tenaga kurang daripada nilai tertentu. Oleh itu, had sensitiviti eksperimen tersebut boleh dibentangkan dalam bentuk grafik kepekaanyang menunjukkan kepada apa kebarangkalian perlanggaran pengesan akan dapat turun jika satu atau lain jisim zarah benda gelap

Tugas

Ketahui, zarah yang mana jisimnya akan menjadi pengesan yang paling sensitif terhadap bahan gelap dengan bahan kerja dari xenon cecair. Lukis a pandangan khas grafik kepekaan seperti pengesan (mengehadkan kepekaan bergantung kepada jisim zarah benda gelap).


Petunjuk

Rajah. 2 Perlanggaran elastik bergerak dan beristirahat zarah. Rajah. pengarang tugas

Perkara yang luar biasa mengenai masalah ini ialah kita harus terlebih dahulu menyedari apa nilai diperlukan untuk mencari dan bagaimana untuk menyambungnya dengan nilai yang diketahui. Untuk melakukan ini, tugas itu boleh dibahagikan kepada beberapa peringkat. Tahap pertama adalah masalah yang pasti diselesaikan oleh perlanggaran elastik dua badan (Gambar 2).Biarkan teras massa beristirahat m zarah benda gelap menyerang jisim M dan kelajuan tetap v1 (halaju termal nukleus lebih rendah v1oleh itu kita mengabaikannya). Selepas kesan, nukleus terbang pada kelajuan tertentu dan pada beberapa sudut (mari kita panggil ia β) ke arah asal pergerakan zarah itu. Ia dikehendaki untuk mengetahui tenaga apa yang inti akan diperoleh bergantung pada sudut β.

Pada langkah kedua, adalah perlu untuk memahami bagaimana tenaga ini dan kekerapan perlanggaran bergantung kepada jisim zarah benda gelap. Seterusnya, seseorang dapat mencari pergantungan tenaga dalam pengesan masa satuan (dan bukan untuk perlanggaran tunggal), selepas itu ia akan menjadi jelas bagaimana batas kepekaan pengesan bergantung kepada jisim zarah.


Penyelesaian

Kami mula-mula menyelesaikan masalah perlanggaran dua zarah. Nilai m, M, v1dianggap diketahui, sudut pemergian inti β adalah parameter masalah, dan bergantung pada itu adalah perlu untuk mencari kelajuan akhir u2 zarah massa m. Untuk melakukan ini, tulis undang-undang pemuliharaan tenaga:

dan undang-undang pemuliharaan momentum sepanjang dua paksi:

Sistem persamaan ini boleh diselesaikan dengan terlebih dahulu menghapuskan sudut αdan kemudian laju v2. Jawapan untuk kelajuan dan tenaga nukleus adalah:

Kebergantungan pelepasan tenaga pada jisim zarah kejadian terkandung dalam pengganda. M2/(m + M)2. Sekiranya zarah benda gelap terlalu ringan, lebih ringan daripada nukleus, maka ia akan memindahkan ke nukleus hanya sebahagian kecil daripada tenaganya (kesan yang sama ditemui dalam masalah elektron panas). Sekiranya tenaga ini berada di bawah ambang sensitiviti sensor, maka pengesan itu tidak akan menyedari hasil dari perlanggaran tersebut. Dalam kes yang bertentangan, jika zarah bahan gelap lebih berat daripada nukleus, pelepasan tenaga akan berterusan dan terhenti bergantung kepada jisim zarah (lihat Rajah 3, kiri).

M/m; garis merah menunjukkan ambang sensitiviti sensor. Hak: pelepasan tenaga dalam pengesan masa unit. Rajah. pengarang tugas "border = 0>Rajah. 3 Pembebasan tenaga dalam perlanggaran, bergantung kepada jisim zarah benda gelap. Di sebelah kiri: tenaga nuklear dalam perlanggaran tunggal sebagai fungsi nisbah jisimM/m; garis merah menunjukkan ambang sensitiviti sensor. Di sebelah kanan: pelepasan tenaga dalam pengesan masa unit. Rajah. pengarang tugas

Sekarang kita dapati bagaimana kekerapan peristiwa bergantung kepada jisim zarah benda gelap, semua perkara lain menjadi sama.Dari data astrofizikal, kira-kira ketumpatan bahan gelap di sekitar sistem solar diketahui. Jika bahan gelap terdiri daripada zarah dengan massa Mmaka mereka kepekatan berkadar songsang dengan jisim zarah tersebut. Ini bermakna bahawa semakin berat zarah, semakin kurang mereka terbang melalui pengesan, dan oleh itu, kurang kerap – semua benda menjadi sama – perlanggaran akan berlaku. Kemudian pelepasan tenaga dalam pengesan per unit masa akan berkadaran dengan pelepasan tenaga dalam satu pelanggaran yang didarab dengan kekerapan pelanggaran: dE/dt ~ M/(M + m)2.

Rajah. 4 Grafik sensitiviti pengesan bahan gelap pada satah (jisim zarah benda gelap, kebarangkalian interaksi dengan bahan pengesan). Kawasan yang dipancarkan menunjukkan nilai parameter di mana pengesan dapat mengesan isyarat dari zarah benda gelap. Rajah. pengarang berita

Grafik kebergantungan ini ditunjukkan dalam Rajah. 3, di sebelah kanan. Ia menunjukkan bahawa pengesan dengan bahan kerja tetap akan paling sensitif terhadap zarah benda gelap dengan jisim yang sama dengan jisim nukleus bahan (dalam contoh kita, jisim nukleon xenon, iaitu kira-kira 120 GeV).Zarah zarah gelap yang lebih ringan akan menyebabkan pelepasan tenaga yang sangat lemah, dan zarah-zarah yang sangat berat akan bertembung dengan begitu jarang bahawa isyarat dari mereka akan sukar untuk dipisahkan dari proses latar belakang. Oleh itu, grafik kepekaan pengesan mempunyai pandangan ciri yang ditunjukkan dalam Rajah. 4

Dengan jisim optimum zarah benda gelap, pengesan akan dapat mendaftarkan tabrakan, walaupun kebarangkalian bagi setiap zarah yang melalui pengesan adalah sangat rendah (P0). Untuk zarah-zarah yang sangat berat, kebarangkalian ini perlu kira-kira M / m kali lebih P0: Ia tidak cukup zarah berat, tetapi jika kebarangkalian perlanggaran satu zarah bertambah, maka pengesan juga boleh mendaftarkan zarah-zarah tersebut. Dalam hal zarah yang sangat ringan dengan pengedaran halaju termal, majoriti mereka menghasilkan keluaran tenaga yang terlalu sedikit. Hanya zarah yang jarang berlaku memperoleh kelajuan yang jauh melebihi purata dan sudah pun mampu mencetuskan sensor. Agar ini berlaku semasa operasi pengesan, maka kemungkinan perlanggaran terhadap setiap zarah juga harus lebih tinggi. P0.


Selepas perkataan

Dalam dekad yang lalu, lebih daripada sedozen percubaan jangka panjang dalam mencari zarah-zarah perkara gelap telah dilancarkan. Tidak ada pemerhatian yang jelas mengenai zarah-zarah materi gelap, tetapi sebagai masa menunggu terkumpul, dan juga disebabkan oleh kemajuan dalam kaedah bahan pembersihan dan meningkatkan sensor, kepekaan pengesan secara beransur-ansur tumbuh. Selain itu, sudah dua eksperimen – DAMA / LIBRA dan CoGeNT – melaporkan pemerhatian beberapa isyarat yang boleh ditafsirkan sebagai manifestasi zarah benda gelap. Benar, kebanyakan pakar tidak ragu dengan data ini: pertama, mereka tidak konsisten antara satu sama lain dan bercanggah dengan beberapa eksperimen lain, dan kedua, kecacatan kemudahan yang tidak direkodkan itu sendiri tidak boleh dikecualikan.

Rajah. 5 Cari terus bahan zarah gelap pada tahun 2011. Lengkung warna menunjukkan kawasan yang dikecualikan selepas keputusan negatif dari pelbagai pengesan perkara gelap (yang terletak di atas lengkung ditutup). Kawasan kuning sesuai dengan nilai-nilai massa dan bahagian silang zarah-zarah materi gelap, yang mengikuti dari hasil pengesan DAMA / LIBRA. Berbeza kelabu Ramalan teori beberapa model ditunjukkan. Imej dari artikel E.Figueroa-Feliciano. Carian pengesanan langsung untuk perkara gelap WIMP // Prog. Bahagian. Nucl. Fiz. 661 (2011) 661-673

Dalam ara. 5 menunjukkan hanya graf sensitiviti mengenai masalah yang dibincangkan. Di sini, paksi y ia bukan kebarangkalian yang ditangguhkan, tetapi bahagian perlanggaran, yang, dengan parameter tetap lain, adalah sama. Garis yang berbeza menandakan ambang kepekaan pengesan sebenar. Kuning menunjukkan kawasan parameter zarah gelap, dengan asumsi bahawa pengesan DAMA / LIBRA sebenarnya mencatatkannya; adalah jelas bahawa kawasan-kawasan ini dianggap tertutup dalam eksperimen lain. Kawasan abu-abu di bahagian bawah grafik menunjukkan jangkaan massa dan bahagian rentas untuk interaksi zarah benda gelap yang timbul dalam beberapa model fizik zarah asas di luar Model Standard, khususnya, dalam teori supersymmetric. Ia dapat dilihat bahawa pengesan moden zarah-zarah materi gelap telah datang dekat dengan kawasan ini.


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: :???: :?: :!: