Gyengén kölcsönhatásba lépő masszív részecskék

a közvetlen detektálás a WIMP-mag ütközés hatásainak megfigyelésére utal, amikor a sötét anyag áthalad egy detektoron egy földi laboratóriumban.Míg a legtöbb WIMP modell azt jelzi, hogy a közvetett detektálási kísérletek sikeréhez elég nagy számú Wimp-t kell elfogni nagy égitestekben, továbbra is lehetséges, hogy ezek a modellek vagy helytelenek, vagy csak a sötét anyag jelenségének egy részét magyarázzák. Így még a hideg sötét anyag létezésének közvetett bizonyítékainak biztosítására szánt többszörös kísérletekkel is közvetlen detektálási mérésekre van szükség a WIMPs elméletének megszilárdításához.

bár a legtöbb WIMPs találkozik a nap vagy a Föld várhatóan áthalad hatás nélkül, azt remélik, hogy nagyszámú sötét anyag WIMPs áthalad egy kellően nagy detektor elég gyakran kölcsönhatásba lép ahhoz, hogy látható legyen—legalább néhány esemény évente. A WIMPs kimutatására irányuló jelenlegi kísérletek általános stratégiája nagyon érzékeny rendszerek megtalálása, amelyek nagy mennyiségre méretezhetők. Ez a felfedezés történetéből és a neutrínó (mára) rutinszerű észleléséből levont tanulságokat követi.

1. ábra. A CDMS paraméterterület 2004-től kizárt. DAMA result területén található zöld terület és nem engedélyezett.

kriogén kristálydetektorok – a Soudan bányában működő Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) detektor által használt technika több nagyon hideg germánium-és szilíciumkristályon alapul. A kristályokat (mindegyik körülbelül akkora, mint egy jégkorong korong) körülbelül 50 mK-ra hűtjük. A felületeken egy fémréteget (alumínium és volfrám) használnak a kristályon áthaladó WIMP kimutatására. Ez a kialakítás reméli, hogy érzékeli a kristálymátrix rezgéseit, amelyeket egy atom “rúgott” egy WIMP. A volfrám átmeneti élérzékelőket (TES) a kritikus hőmérsékleten tartják, így szupravezető állapotban vannak. A nagy kristály rezgések hőt termelnek a fémben, és az ellenállás változása miatt kimutathatók. A CRESST, a CoGeNT és az EDELWEISS hasonló beállításokat futtat.

nemesgáz szcintillátorok – a WIMP által “kopogtatott” atomok detektálásának másik módja a szcintilláló anyag használata, hogy a mozgó atom fényimpulzusokat generáljon és detektáljon, gyakran PMT-kkel. Kísérletek, mint a DEAP a SNOLAB és DarkSide a LNGS eszköz egy nagyon nagy cél tömege folyékony argon érzékeny nyúlbéla keresések. ZEPLIN, XENON pedig xenont használt a WIMPs nagyobb érzékenységű kizárására, a XENON1T detektor által eddig előírt legszigorúbb határértékekkel, 3,5 tonna folyékony xenon felhasználásával. A XENON, A LUX-ZEPLIN és a PandaX együttműködéséből még nagyobb, több tonnás folyékony xenon detektorok is gyárthatók.

kristály szcintillátorok – folyékony nemesgáz helyett elvileg egyszerűbb megközelítés egy szcintilláló kristály, például NaI(Tl) használata. Ezt a megközelítést alkalmazza DAMA/LIBRA, egy kísérlet, amely megfigyelte a jel gyűrű alakú modulációját, amely összhangban van a WIMP detektálással (lásd a legutóbbi határértékeket). Számos kísérlet próbálja megismételni ezeket az eredményeket, beleértve az ANAIS-t és a DM-Ice-t, amely a Nai kristályokat kódolja az IceCube detektorral a Déli-Sarkon. A KIMS ugyanazt a problémát közelíti meg CsI(Tl) szcintillátorként. A koszinusz-100 együttműködés (a Kim-ek és a DM-Ice csoportok összeolvadása) 2018 decemberében publikálta eredményeit a Dama/LIBRA jel replikálásáról a Nature folyóiratban; következtetésük az volt, hogy “ez az eredmény kizárja a WIMP–nukleon kölcsönhatásokat, mint a DAMA együttműködés által megfigyelt éves moduláció okát”.

Bubble chambers – a PICASSO (Project in Canada to Search for Supersymmetric Objects) kísérlet egy közvetlen sötét anyag Keresési kísérlet, amely a kanadai SNOLABBAN található. Buborékdetektorokat használ freonnal, mint aktív tömeg. PICASSO túlnyomórészt érzékeny a wimps spin-függő kölcsönhatásaira a freon fluor atomjaival. A COUPP, egy hasonló kísérlet trifluoroiodometánnal (CF3I), közzétette a 20 GeV feletti tömeg határértékeit 2011-ben. A két kísérlet 2012-ben egyesült a PICO együttműködésével.

a buborékdetektor olyan sugárzásra érzékeny eszköz, amely kis túlhevített folyadékcseppeket használ, amelyeket egy gélmátrixban szuszpendálnak. A buborékkamra elvét használja, de mivel egyszerre csak a kis cseppek mennek keresztül fázisátmeneten, az érzékelő sokkal hosszabb ideig maradhat aktív. Ha ionizáló sugárzás révén elegendő energia rakódik le egy cseppben, a túlhevített csepp gázbuborékká válik. A buborékfejlődést akusztikus lökéshullám kíséri, amelyet piezoelektromos érzékelők vesznek fel. A buborékdetektor technika fő előnye, hogy az érzékelő szinte érzéketlen a háttérsugárzásra. A detektor érzékenysége a hőmérséklet megváltoztatásával állítható be, jellemzően 15-55 C között működik.

PICASSO jelentések eredmények (November 2009) a spin-függő WIMP kölcsönhatások 19F, a tömegek 24 Gev új szigorú határértékeket kaptunk a spin-függő keresztmetszete 13,9 pb (90% CL). A kapott határértékek korlátozzák a Dama/LIBRA éves modulációs hatásának legújabb értelmezéseit a spin-függő kölcsönhatások szempontjából.

a PICO a 2015-ben tervezett koncepció bővítése.

az alacsony nyomású gázokkal töltött detektor – idő vetítő kamrák (TPC-k) más típusait tanulmányozzák a WIMP kimutatására. A Directional Recoil Identification from Tracks (DRIFT) együttműködés megpróbálja kihasználni a WIMP jel előre jelzett irányát. A DRIFT szén-diszulfid célt használ, amely lehetővé teszi, hogy a WIMP visszahúzódása több millimétert haladjon, feltöltött részecskék nyomát hagyva. Ez a feltöltött pálya egy MWPC leolvasási síkba sodródik, amely lehetővé teszi, hogy három dimenzióban rekonstruálják és meghatározzák a kiindulási irányt. A DMTPC hasonló kísérlet CF4 gázzal.

legutóbbi korlátozásokszerkesztés

Fig. 2. ábra: a sötét anyag részecske tömegének és a nukleonokkal való kölcsönhatás keresztmetszetének paraméterterét bemutató ábra. A LUX és a SuperCDMS határértékek kizárják a jelzett görbék feletti paraméterteret. A CoGeNT és a CRESST-II régiók olyan régiókat jelölnek, amelyekről korábban azt hitték, hogy megfelelnek a sötét anyag jeleinek, de amelyeket később világi forrásokkal magyaráztak. A Dama és a CDMS-Si adatok megmagyarázhatatlanok maradnak, és ezek a régiók jelzik az előnyben részesített paraméterteret, ha ezek az anomáliák a sötét anyagnak köszönhetők.

a közvetlen detektálási kísérletekből jelenleg nincs megerősített sötét anyag észlelése, a legerősebb kizárási határértékek A LUX és a SuperCDMS kísérletekből származnak, amint azt a 2.ábra mutatja.370 kilogramm xenonnal a LUX érzékenyebb, mint a XENON vagy a CDMS. A 2013.októberi első eredmények arról számoltak be, hogy nem láttak olyan jeleket, amelyek megcáfolnák a kevésbé érzékeny eszközök eredményeit. ezt megerősítették, miután a végleges adatfutás 2016 májusában véget ért.

történelmileg négy anomális adathalmaz volt különböző közvetlen kimutatási kísérletekből, amelyek közül kettőt már háttérrel magyaráztak (CoGeNT és CRESST-II), kettőt pedig megmagyarázatlanul (DAMA/LIBRA és CDMS-Si). 2010 februárjában a CDMS kutatói bejelentették, hogy két olyan eseményt figyeltek meg, amelyeket WIMP-nucleus ütközések okozhattak.

a CoGeNT, egy kisebb detektor, amely egyetlen germánium korongot használ, kisebb tömegű WIMPs érzékelésére tervezték, 56 nap alatt több száz észlelési eseményt jelentett. Megfigyeltek egy éves modulációt az eseménysebességben, amely világos sötét anyagot jelezhet. A meggyőző események sötét anyagának eredetét azonban újabb elemzések cáfolták, a felszíni események hátterének magyarázata mellett.

az éves moduláció a WIMP jel egyik előre jelzett aláírása, és ennek alapján a DAMA együttműködés pozitív észlelést igényelt. Más csoportok azonban nem erősítették meg ezt az eredményt. A 2004 májusában nyilvánosságra hozott CDMS-adatok kizárják a teljes DAMA-jel régiót, mivel bizonyos standard feltételezések vannak a wimps és a sötét anyag Glória tulajdonságairól, és ezt számos más kísérlet követte (lásd a 2.ábrát, jobbra).

a koszinusz-100 együttműködés (a Kim-ek és a DM–Ice csoportok összeolvadása) 2018 decemberében publikálta eredményeit a Dama/LIBRA jel replikálásáról a Nature folyóiratban; következtetésük az volt, hogy “ez az eredmény kizárja a WIMP-nukleon kölcsönhatásokat, mint a DAMA együttműködés által megfigyelt éves moduláció okát”.

a közvetlen detektálás jövője

a 2020-as évtizedben több, több tonnás tömegdetektálási kísérletnek kell megjelennie, amelyek a WIMP-nucleus keresztmetszeteit a jelenlegi legkorszerűbb érzékenységnél nagyságrendekkel kisebb mértékben fogják megvizsgálni. Az ilyen következő generációs kísérletek példái a LUX-ZEPLIN (LZ) és a XENONnT, amelyek több tonnás folyékony xenon kísérletek, majd DARWIN, egy másik javasolt 50-100 tonnás folyékony xenon közvetlen kimutatási kísérlet.

az ilyen több tonnás kísérletek új háttérrel is szembesülnek neutrínók formájában, amelyek korlátozzák képességüket a WIMP paraméter térének egy bizonyos ponton túli vizsgálatára, amelyet neutrino padlónak neveznek. Bár a neve kemény határértéket jelenthet, a neutrínó padló a paramétertér azon régióját képviseli, amelyen túl a kísérleti érzékenység a legjobb esetben csak az expozíció négyzetgyökeként javulhat (a detektor tömegének és működési idejének szorzata). A 10 GeV alatti WIMP tömegek esetében a neutrínó háttér domináns forrása a nap, míg a nagyobb tömegek esetében a háttér a légköri neutrínók és a diffúz szupernóva neutrínó háttér hozzájárulását tartalmazza.