Heikosti vuorovaikuttavat massiiviset hiukkaset

suora havaitseminen tarkoittaa WIMP-ytimen törmäyksen vaikutusten havainnointia pimeän aineen kulkiessa maan laboratoriossa olevan detektorin läpi.Vaikka useimmat WIMP-mallit osoittavat, että suuriin taivaankappaleisiin on vangittava tarpeeksi suuri määrä Wimpejä, jotta epäsuorat havaintokokeet onnistuisivat, on edelleen mahdollista, että nämä mallit ovat joko virheellisiä tai selittävät vain osan pimeän aineen ilmiöstä. Näin ollen, vaikka useita kokeita omistettu tarjota epäsuoria todisteita kylmän pimeän aineen olemassaolosta, suora detektiomittaukset ovat myös tarpeen jähmettää teorian WIMPs.

vaikka useimpien auringon tai maan kohtaavien Nynnyjen odotetaan kulkevan läpi ilman mitään vaikutusta, toivotaan, että suuri määrä riittävän suuren ilmaisimen ylittäviä pimeän aineen nynnyjä vuorovaikuttaa riittävän usein, jotta ne voidaan nähdä—ainakin muutama tapahtuma vuodessa. Nykyisten Nynnyjen havaitsemisyritysten yleinen strategia on löytää hyvin herkkiä järjestelmiä, joita voidaan skaalata suuriin määriin. Tämä on seurausta löydön historiasta ja (tähän mennessä) neutriinon rutiininomaisesta havaitsemisesta saaduista opetuksista.

Kuva 1. CDMS: n parametriavaruutta ei ole otettu huomioon vuodesta 2004 alkaen. DAMA tulos sijaitsee viheralueella ja on kielletty.

Experimental techniquesEdit

Cryogenic crystal detectors-soudanin kaivoksen kryogeenisen pimeän aineen etsinnän (CDMS) tekniikka perustuu useisiin hyvin kylmiin germanium-ja piikiteisiin. Kiteet (kukin noin jääkiekon kokoinen) jäähdytetään noin 50 mK. Pinnoilla olevaa metallikerrosta (alumiinia ja volframia) käytetään havaitsemaan kiteen läpi kulkeva nynny. Tämä malli toivoo havaitsevansa kidematriisin värähtelyt, jotka syntyvät, kun nynny ”potkii” atomia. Volframi siirtyminen reuna anturit (TES) pidetään kriittisessä lämpötilassa, joten ne ovat suprajohtava tilassa. Suuret kidevärähdykset synnyttävät metalliin lämpöä ja ovat havaittavissa resistanssin muutoksen vuoksi. CRESST, CoGeNT ja EDELWEISS pyörittävät samanlaisia asetelmia.

Jalokaasun tuikeaineet-toinen tapa havaita NYNNYN ”kolkuttamia” atomeja on käyttää tuikeainetta, jolloin liikkuva atomi tuottaa valopulsseja ja havaitsee ne usein PMTs: llä. Kokeet kuten DEAP klo SNOLAB ja DarkSide klo LNGS väline erittäin suuri kohdemassa nestemäistä argonia herkkä WIMP hakuja. ZEPLIN ja XENON käyttivät ksenonia sulkemaan Wimpit pois suuremmalla herkkyydellä, KSENON1T-ilmaisimen tähän mennessä tiukimmilla raja-arvoilla, käyttäen 3,5 tonnia nestemäistä ksenonia. Xenon -, LUX-ZEPLIN-ja PandaX-yhteistyötahoilta on hyväksytty rakennettavaksi vielä suurempia monitonnisia nestemäisiä ksenonilmaisimia.

Kidesäikeet – nestemäisen jalokaasun sijaan periaatteessa yksinkertaisempi lähestymistapa on käyttää Tuikevaa kidettä, kuten NaI(Tl). Tämä lähestymistapa on otettu Dama / LIBRA, koe, joka havaitsi rengasmodulaatiota signaalin Yhdenmukainen WIMP havaitseminen (katso § Viimeaikaiset rajat). Useat kokeet yrittävät toistaa näitä tuloksia, mukaan lukien ANAIS ja DM-Ice, joka koodaa NaI-kiteitä IceCube-ilmaisimen kanssa Etelänavalla. KIMS lähestyy samaa ongelmaa käyttämällä CSI: tä(Tl) tuikkijana. COSINE-100 collaboration (KIMS–ja DM-Ice-ryhmien yhdistäminen) julkaisi tuloksensa Dama/LIBRA-signaalin toistamisesta joulukuussa 2018 Nature-lehdessä; heidän johtopäätöksensä oli, että ”tämä tulos sulkee pois WIMP-nucleon-vuorovaikutukset Dama-yhteistyön havaitseman vuosittaisen modulaation syynä”.

Bubble chambers-The PICASSO (Project in Canada to Search for Supersymmetric Objects) – koe on suoran pimeän aineen etsintäkoe, joka sijaitsee Kanadan SNOLABISSA. Se käyttää kuplailmaisimia, joissa aktiivisena massana on freoni. PICASSO on pääasiassa herkkä spinistä riippuvaisille Wimpien vuorovaikutuksille Freonin fluoriatomien kanssa. Trifluorijodimetaania(CF3I) käyttänyt coupp julkaisi vuonna 2011 raja-arvot yli 20 GeV: n massalle. Nämä kaksi kokeilua yhdistyivät PICO-yhteistyöksi vuonna 2012.

kuplailmaisin on säteilyherkkä laite, joka käyttää geelimatriisiin ripustettuja ylikuumennetun nesteen pieniä pisaroita. Siinä käytetään kuplakammion periaatetta, mutta koska vain pienet pisarat voivat käydä läpi vaihesiirtymän kerrallaan, ilmaisin voi pysyä aktiivisena paljon pidempiä aikoja. Kun ionisoivan säteilyn vaikutuksesta pisaraan kertyy tarpeeksi energiaa, superkuumasta pisarasta tulee kaasukupla. Kuplan kehitykseen liittyy akustinen paineaalto, jonka pietsosähköiset anturit poimivat. Kuplailmaisintekniikan suurin etu on se, että ilmaisin on lähes tunnoton taustasäteilylle. Ilmaisimen herkkyyttä voidaan säätää muuttamalla lämpötilaa, jota käytetään tyypillisesti välillä 15 °C ja 55 °C. Euroopassa on toinen samanlainen kokeilu, jossa käytetään tätä tekniikkaa nimeltä SIMPLE.

PICASSO raportoi tulokset (marraskuu 2009) linkoriippuvaisista Wimp-vuorovaikutuksista 19F: llä, 24 Gev: n massoille on saatu uudet tiukat raja-arvot linkoriippuvaiselle poikkileikkaukselle 13.9 pb (90% CL). Saadut rajat rajoittavat viimeaikaisia tulkintoja Dama / LIBRA-vuosimodulaatioefektistä spin-riippuvaisten vuorovaikutusten osalta.

PICO on vuonna 2015 suunniteltu konseptin laajennus.

muunlaisia matalapaineisilla kaasuilla täytettyjä detektori – aikaprojektiokammioita (TPC) tutkitaan WIMP-detektoria varten. Directional Recoil Identification from Tracks (DRIFT) – yhteistyö pyrkii hyödyntämään Wimp-signaalin ennustettua suuntaa. DRIFT käyttää hiilidisulfidikohdetta, jonka avulla Wimp-rekyylit voivat kulkea useita millimetrejä jättäen jälkeensä varautuneita hiukkasia. Tämä ladattu rata ajautuu MWPC-lukematasoon, jonka avulla se voidaan rekonstruoida kolmessa ulottuvuudessa ja määrittää alkuperäsuunta. DMTPC on samankaltainen kokeilu CF4-kaasulla.

Viimeaikaiset limitsEdit

Kuva. 2: kuvaaja, joka osoittaa pimeän aineen hiukkasmassan parametriavaruuden ja vuorovaikutuksen poikkileikkauksen nukleonien kanssa. LUX-ja SuperCDMS-raja-arvot eivät sisällä parametriavaruutta merkittyjen käyrien yläpuolella. CoGeNT-ja CRESST-II-alueet ilmaisevat alueita, joiden aiemmin ajateltiin vastaavan pimeän aineen signaaleja, mutta jotka myöhemmin selitettiin arkisilla lähteillä. Dama-ja CDMS-Si-tiedot ovat edelleen selittämättömiä, ja nämä alueet osoittavat suositeltavan parametriavaruuden, jos nämä poikkeamat johtuvat pimeästä aineesta.

tällä hetkellä ei ole vahvistettuja pimeän aineen havaintoja suorista havaitsemiskokeista, ja voimakkaimmat poissulkurajat tulevat LUX-ja SuperCDMS-kokeista, kuten kuvassa 2 esitetään.370 kilogramman xenon LUX on herkempi kuin XENON tai CDMS. Ensimmäiset tulokset lokakuulta 2013 kertovat, että signaaleja ei nähty, mikä näyttäisi kumoavan vähemmän herkistä laitteista saadut tulokset. ja tämä varmistui, kun lopullinen data-ajo päättyi toukokuussa 2016.

historiallisesti on ollut neljä poikkeavaa tietosarjaa eri suorista havaitsemiskokeista, joista kaksi on nyt selitetty taustoilla (CoGeNT ja CRESST-II) ja kaksi on edelleen selittämättömiä (Dama/LIBRA ja CDMS-Si). Helmikuussa 2010 CDMS: n tutkijat ilmoittivat havainneensa kaksi tapahtumaa, jotka saattoivat johtua WIMP-ytimen törmäyksistä.

CoGeNT, pienempi ilmaisin, joka käyttää yhtä germanium-kiekkoa ja joka on suunniteltu aistimaan Wimpejä pienemmillä massoilla, raportoi satoja havaitsemistapahtumia 56 päivässä. He havaitsivat tapahtumanopeudessa vuosittaisen modulaation, joka saattoi viitata vaaleaan pimeään aineeseen. Tuoreemmat analyysit ovat kuitenkin kumonneet vakuuttavien tapahtumien pimeän aineen alkuperän, mikä on selitetty pintatapahtumien taustana.

Vuosimodulaatio on yksi WIMP-signaalin ennustetuista allekirjoituksista, ja tämän perusteella Dama-yhteistyö on vaatinut positiivisen havainnon. Muut ryhmät eivät kuitenkaan ole vahvistaneet tätä tulosta. Toukokuussa 2004 julkistetut CDMS-tiedot sulkevat pois koko Dama-signaalialueen ottaen huomioon tietyt vakiooletukset Wimpien ja pimeän aineen halon ominaisuuksista, ja tätä on seurannut monia muita kokeita (KS.kuva 2, oik.).

COSINE-100 collaboration (KIMS–ja DM-Ice-ryhmien yhdistäminen) julkaisi tuloksensa Dama/LIBRA-signaalin toistamisesta joulukuussa 2018 Nature-lehdessä; heidän johtopäätöksensä oli, että ”tämä tulos sulkee pois WIMP-nucleon interaktiot Dama-yhteistyön havaitseman vuosittaisen modulaation aiheuttajana”.

suoran detektiomeditin tulevaisuus

2020-vuosikymmenellä pitäisi tapahtua useita usean tonnin massaisia suoria detektiokokeita, joissa tutkitaan WIMP-ytimen poikkileikkauksia nykyistä huipputason herkkyyttä pienempiä suuruusluokkia. Esimerkkejä tällaisista seuraavan sukupolven kokeista ovat LUX-ZEPLIN (LZ) ja XENONnT, jotka ovat usean tonnin nestemäisiä ksenonkokeita, joita seuraa DARWIN, toinen ehdotettu nestemäisen ksenonin suora havaitsemiskoe 50–100 tonnia.

tällaiset usean tonnin kokeet saavat myös uuden taustan neutriinojen muodossa, mikä rajoittaa niiden kykyä tutkia Wimp-parametrin avaruutta tietyn pisteen, niin sanotun neutriinopohjan, takaa. Vaikka neutriinolattia on nimensä mukaisesti kova raja, se edustaa sitä parametriavaruuden aluetta, jonka yli kokeellinen herkkyys voi parhaimmillaan vain parantua altistuksen neliöjuurena (ilmaisimen massan ja käyttöajan tulona). Alle 10 GeV: n Wimp-massoilla neutriinotaustan pääasiallinen lähde on Auringosta, kun taas suuremmilla massoilla tausta sisältää ilmakehän neutriinojen ja diffuusin supernova-neutriinotaustan vaikutuksia.