Schwach wechselwirkende massive Teilchen
Die direkte Detektion bezieht sich auf die Beobachtung der Auswirkungen einer WIMP-Kern-Kollision, wenn die dunkle Materie einen Detektor in einem Erdlabor passiert.Während die meisten WIMP-Modelle darauf hinweisen, dass eine ausreichend große Anzahl von WIMPs in großen Himmelskörpern eingefangen werden muss, damit indirekte Nachweisexperimente erfolgreich sind, bleibt es möglich, dass diese Modelle entweder falsch sind oder nur einen Teil des Phänomens der dunklen Materie erklären. Daher sind auch bei den zahlreichen Experimenten, die dem indirekten Nachweis der Existenz kalter dunkler Materie gewidmet sind, direkte Detektionsmessungen erforderlich, um die Theorie der WIMPs zu festigen.
Obwohl erwartet wird, dass die meisten WIMPs, die der Sonne oder der Erde begegnen, ohne Wirkung passieren, ist zu hoffen, dass eine große Anzahl von WIMPs aus dunkler Materie, die einen ausreichend großen Detektor durchqueren, oft genug interagieren, um gesehen zu werden — mindestens ein paar Ereignisse pro Jahr. Die allgemeine Strategie aktueller Versuche, WIMPs zu erkennen, besteht darin, sehr empfindliche Systeme zu finden, die auf große Volumina skaliert werden können. Dies folgt den Lehren aus der Entdeckungsgeschichte und dem (inzwischen) routinemäßigen Nachweis des Neutrinos.
Kryogene Kristalldetektoren – Eine Technik, die vom CDMS-Detektor (Cryogenic Dark Matter Search) in der Soudan-Mine verwendet wird, beruht auf mehreren sehr kalten Germanium- und Siliziumkristallen. Die Kristalle (jeweils etwa so groß wie ein Hockeypuck) werden auf etwa 50 mK abgekühlt. Eine Metallschicht (Aluminium und Wolfram) an den Oberflächen wird verwendet, um ein Weichei zu detektieren, das durch den Kristall hindurchtritt. Dieses Design hofft, Vibrationen in der Kristallmatrix zu erkennen, die durch ein Atom erzeugt werden, das von einem Weichei „getreten“ wird. Die Wolframübergangskantensensoren (TES) werden bei der kritischen Temperatur gehalten, so dass sie sich im supraleitenden Zustand befinden. Große Kristallschwingungen erzeugen Wärme im Metall und sind aufgrund einer Widerstandsänderung nachweisbar. CRESST, CoGeNT und EDELWEISS führen ähnliche Setups aus.
Edelgasszintillatoren – Eine andere Möglichkeit, Atome zu detektieren, die von einem WIMP „umgestoßen“ werden, besteht darin, szintillierendes Material zu verwenden, so dass Lichtpulse vom sich bewegenden Atom erzeugt und detektiert werden, oft mit PMTs. Experimente wie DEAP am SNOLAB und DarkSide am LNGS Instrument eine sehr große Zielmasse von flüssigem Argon für empfindliche WIMP Sucht. ZEPLIN und XENON verwendeten Xenon, um WIMPs bei höherer Empfindlichkeit auszuschließen, wobei die bisher strengsten Grenzwerte vom XENON1T-Detektor mit 3,5 Tonnen flüssigem Xenon festgelegt wurden. Noch größere Multi-Tonnen-Flüssig-Xenon-Detektoren wurden für den Bau aus der XENON-, LUX-ZEPLIN- und PandaX-Zusammenarbeit zugelassen.
Kristallszintillatoren – Anstelle eines flüssigen Edelgases ist ein prinzipiell einfacherer Ansatz die Verwendung eines szintillierenden Kristalls wie NaI(Tl). Dieser Ansatz wird von DAMA / LIBRA verfolgt, einem Experiment, bei dem eine ringförmige Modulation des Signals beobachtet wurde, die mit der WIMP-Erkennung übereinstimmt (siehe § 2 Grenzen). Mehrere Experimente versuchen, diese Ergebnisse zu replizieren, darunter ANAIS und DM-Ice, die NaI-Kristalle mit dem IceCube-Detektor am Südpol codieren. KIMS nähert sich dem gleichen Problem mit CsI (Tl) als Szintillator. Die COSINUS-100–Kollaboration (eine Zusammenführung von KIMS- und DM-Ice-Gruppen) veröffentlichte ihre Ergebnisse zur Replikation des DAMA / LIBRA-Signals im Dezember 2018 in der Zeitschrift Nature; Ihre Schlussfolgerung war, dass „dieses Ergebnis WIMP-Nukleon-Wechselwirkungen als Ursache der von der DAMA-Kollaboration beobachteten jährlichen Modulation ausschließt“.
Bubble chambers – Das PICASSO-Experiment (Project In Canada to Search for Supersymmetric Objects) ist ein direktes Experiment zur Suche nach dunkler Materie, das sich am SNOLAB in Kanada befindet. Es verwendet Blasendetektoren mit Freon als aktive Masse. PICASSO ist überwiegend empfindlich gegenüber spinabhängigen Wechselwirkungen von WIMPs mit den Fluoratomen im Freon. COUPP, ein ähnliches Experiment mit Trifluoriodmethan (CF3I), veröffentlichte 2011 Grenzwerte für Massen über 20 GeV. Die beiden Experimente fusionierten 2012 zur PICO-Kollaboration.
Ein Blasendetektor ist ein strahlungsempfindliches Gerät, das kleine Tröpfchen überhitzter Flüssigkeit verwendet, die in einer Gelmatrix suspendiert sind. Es verwendet das Prinzip einer Blasenkammer, aber da nur die kleinen Tröpfchen gleichzeitig einen Phasenübergang durchlaufen können, kann der Detektor viel länger aktiv bleiben. Wenn genügend Energie in einem Tröpfchen durch ionisierende Strahlung abgeschieden wird, wird das überhitzte Tröpfchen zu einer Gasblase. Die Blasenentwicklung wird von einer akustischen Stoßwelle begleitet, die von piezoelektrischen Sensoren aufgenommen wird. Der Hauptvorteil der Blasendetektortechnik besteht darin, dass der Detektor gegenüber Hintergrundstrahlung nahezu unempfindlich ist. Die Detektorempfindlichkeit kann durch Ändern der Temperatur eingestellt werden, die typischerweise zwischen 15 ° C und 55 ° C betrieben wird.
PICASSO meldet Ergebnisse (November 2009) für spinabhängige WIMP-Wechselwirkungen auf 19F, für Massen von 24 Gev wurden neue strenge Grenzwerte für den spinabhängigen Querschnitt von 13,9 pb (90% CL) erhalten. Die erhaltenen Grenzen beschränken die jüngsten Interpretationen des DAMA / LIBRA-Jahresmodulationseffekts in Bezug auf spinabhängige Wechselwirkungen.
PICO ist eine Erweiterung des 2015 geplanten Konzepts.
Andere Arten von Detektorzeitprojektionskammern (TPCs), die mit Niederdruckgasen gefüllt sind, werden für die WIMP-Detektion untersucht. Die Directional Recoil Identification From Tracks (DRIFT) Collaboration versucht, die vorhergesagte Direktionalität des WIMP-Signals zu nutzen. DRIFT verwendet ein Schwefelkohlenstoff-Target, mit dem WIMP-Rückstöße mehrere Millimeter zurücklegen und eine Spur geladener Teilchen hinterlassen können. Diese geladene Spur wird zu einer MWPC-Ausleseebene getrieben, die es ermöglicht, sie in drei Dimensionen zu rekonstruieren und die Ursprungsrichtung zu bestimmen. DMTPC ist ein ähnliches Experiment mit CF4-Gas.
Aktuelle Begrenzungenbearbeiten
Es gibt derzeit keine bestätigten Nachweise von dunkler Materie aus direkten Detektionsexperimenten, wobei die stärksten Ausschlussgrenzen aus den LUX- und SuperCDMS-Experimenten stammen, wie in Abbildung 2 gezeigt.Mit 370 Kilogramm Xenon ist LUX empfindlicher als XENON oder CDMS. Erste Ergebnisse vom Oktober 2013 berichten, dass keine Signale gesehen wurden, was die Ergebnisse weniger empfindlicher Instrumente zu widerlegen scheint. und dies wurde bestätigt, nachdem der endgültige Datenlauf im Mai 2016 endete.
In der Vergangenheit gab es vier anomale Datensätze aus verschiedenen direkten Detektionsexperimenten, von denen zwei nun mit Hintergründen erklärt wurden (CoGeNT und CRESST-II) und zwei ungeklärt bleiben (DAMA / LIBRA und CDMS-Si). Im Februar 2010 gaben Forscher am CDMS bekannt, dass sie zwei Ereignisse beobachtet hatten, die möglicherweise durch WIMP-Kernkollisionen verursacht wurden.
CoGeNT, ein kleinerer Detektor mit einem einzigen Germanium-Puck, der zur Erkennung von WIMPs mit kleineren Massen entwickelt wurde, meldete Hunderte von Detektionsereignissen in 56 Tagen. Sie beobachteten eine jährliche Modulation der Ereignisrate, die auf helle dunkle Materie hindeuten könnte. Ein Ursprung der dunklen Materie für die CoGeNT-Ereignisse wurde jedoch durch neuere Analysen widerlegt, zugunsten einer Erklärung in Bezug auf einen Hintergrund von Oberflächenereignissen.
Die jährliche Modulation ist eine der vorhergesagten Signaturen eines WIMP-Signals, und auf dieser Grundlage hat die DAMA-Kollaboration einen positiven Nachweis erbracht. Andere Gruppen haben dieses Ergebnis jedoch nicht bestätigt. Die CDMS-Daten, die im Mai 2004 veröffentlicht wurden, schließen die gesamte DAMA-Signalregion unter bestimmten Standardannahmen über die Eigenschaften des WIMPs und des Halos der dunklen Materie aus, und darauf folgten viele andere Experimente (siehe Abbildung 2, rechts).
Die COSINE-100–Kollaboration (eine Verschmelzung von KIMS- und DM-Ice-Gruppen) veröffentlichte ihre Ergebnisse zur Replikation des DAMA / LIBRA-Signals im Dezember 2018 in der Fachzeitschrift Nature; Ihre Schlussfolgerung war, dass „dieses Ergebnis WIMP-Nukleon-Wechselwirkungen als Ursache der von der DAMA-Kollaboration beobachteten jährlichen Modulation ausschließt“.
Die Zukunft der direkten Detektionbearbeiten
Im Jahr 2020 sollten mehrere Massendirektdetektionsexperimente mit mehreren Tonnen entstehen, bei denen WIMP-Kernquerschnitte untersucht werden, die um Größenordnungen kleiner sind als die aktuelle Empfindlichkeit nach dem Stand der Technik. Beispiele für solche Experimente der nächsten Generation sind LUX-ZEPLIN (LZ) und XENONnT, bei denen es sich um Mehrtonnen-Flüssig-Xenon-Experimente handelt, gefolgt von DARWIN, einem weiteren vorgeschlagenen Flüssig-Xenon-Direktnachweisexperiment von 50 bis 100 Tonnen.
Solche Multi-Tonnen-Experimente werden auch vor einem neuen Hintergrund in Form von Neutrinos stehen, was ihre Fähigkeit, den WIMP-Parameterraum über einen bestimmten Punkt hinaus zu untersuchen, einschränken wird, der als Neutrino-Boden bekannt ist. Obwohl sein Name eine harte Grenze implizieren mag, stellt der Neutrinoboden den Bereich des Parameterraums dar, jenseits dessen sich die experimentelle Empfindlichkeit bestenfalls als Quadratwurzel der Belichtung (das Produkt aus Detektormasse und Laufzeit) verbessern kann. Für WIMP-Massen unter 10 GeV ist die dominierende Quelle des Neutrinohintergrunds von der Sonne, während für höhere Massen der Hintergrund Beiträge von atmosphärischen Neutrinos und dem diffusen Supernova-Neutrinohintergrund enthält.