Particulele masive care interacționează slab

detectarea directă se referă la observarea efectelor unei coliziuni wimp-nucleu pe măsură ce materia întunecată trece printr-un detector într-un laborator terestru.În timp ce majoritatea modelelor WIMP indică faptul că un număr suficient de mare de Wimp-uri trebuie capturate în corpuri cerești mari pentru ca experimentele de detectare indirectă să aibă succes, rămâne posibil ca aceste modele să fie fie incorecte, fie să explice doar o parte din fenomenul materiei întunecate. Astfel, chiar și cu multiplele experimente dedicate furnizării de dovezi indirecte pentru existența materiei întunecate reci, măsurătorile de detectare directă sunt, de asemenea, necesare pentru a solidifica teoria WIMPs.

deși se așteaptă ca majoritatea Wimp—urilor care întâlnesc soarele sau pământul să treacă fără niciun efect, se speră că un număr mare de Wimp-uri de materie întunecată care traversează un detector suficient de mare vor interacționa suficient de des pentru a fi văzute-cel puțin câteva evenimente pe an. Strategia generală a încercărilor actuale de detectare a wimp-urilor este de a găsi sisteme foarte sensibile care pot fi scalate până la volume mari. Aceasta urmează lecțiile învățate din istoria descoperirii și (până acum) detectarea de rutină a neutrinului.

Fig 1. Spațiul parametrilor CDMS exclus din 2004. Rezultatul DAMA este situat în zona verde și este interzis.

tehnici Experimentaleedit

detectoare de cristal criogenic – o tehnică utilizată de detectorul de căutare a materiei întunecate criogenice (CDMS) de la Mina Soudan se bazează pe mai multe cristale de germaniu și siliciu foarte reci. Cristalele (fiecare de dimensiunea unui puc de hochei) sunt răcite la aproximativ 50 mK. Un strat de metal (aluminiu și tungsten) la suprafețe este utilizat pentru a detecta un WIMP care trece prin cristal. Acest design speră să detecteze vibrațiile din matricea cristalină generate de un atom care este „lovit” de un WIMP. Senzorii tungsten transition edge (TES) sunt menținuți la temperatura critică, astfel încât aceștia se află în stare supraconductoare. Vibrațiile mari de cristal vor genera căldură în metal și sunt detectabile din cauza unei modificări a rezistenței. CRESST, CoGeNT și EDELWEISS rulează setări similare.

scintilatoare cu gaz nobil – un alt mod de a detecta atomii „loviți” de un WIMP este utilizarea materialului scintilant, astfel încât impulsurile luminoase să fie generate de atomul în mișcare și detectate, adesea cu PMT-uri. Experimente precum DEAP la SNOLAB și DarkSide la instrumentul LNGS o masă țintă foarte mare de argon lichid pentru căutări sensibile WIMP. ZEPLIN și XENON au folosit xenon pentru a exclude Wimp-urile la o sensibilitate mai mare, cu cele mai stricte limite până în prezent furnizate de detectorul XENON1T, utilizând 3,5 tone de xenon lichid. Chiar și detectoarele de xenon lichid multi-ton mai mari au fost aprobate pentru construcție din colaborările XENON, LUX-Zeplin și PandaX.

scintilatoare de cristal – în loc de un gaz nobil lichid, o abordare în principiu mai simplă este utilizarea unui cristal scintilant, cum ar fi Nai(Tl). Această abordare este luată de dama / LIBRA, un experiment care a observat o modulare inelară a semnalului în concordanță cu detectarea WIMP (a se vedea limitele recente ale centimetrului). Mai multe experimente încearcă să reproducă aceste rezultate, inclusiv ANAIS și DM-Ice, care implementează cristale Nai cu detectorul IceCube la Polul Sud. KIMS se apropie de aceeași problemă folosind CsI (Tl) ca scintilator. Colaborarea cosinus-100 (o fuziune a grupurilor KIMS și DM-Ice) și–a publicat rezultatele privind replicarea semnalului DAMA/LIBRA în decembrie 2018 în revista Nature; concluzia lor a fost că „acest rezultat exclude interacțiunile wimp-nucleon ca fiind cauza modulației anuale observate de colaborarea DAMA”.

Bubble chambers – experimentul PICASSO (proiect în Canada pentru a căuta obiecte supersimetrice) este un experiment direct de căutare a materiei întunecate care se află la SNOLAB în Canada. Folosește detectoare de bule cu Freon ca masă activă. PICASSO este predominant sensibil la interacțiunile dependente de spin ale Wimp-urilor cu atomii de fluor din Freon. COUPP, un experiment similar folosind trifluoroiodometan (CF3I), a publicat limite pentru masa peste 20 GeV în 2011. Cele două experimente au fuzionat în colaborare PICO în 2012.

un detector de bule este un dispozitiv sensibil la radiații care utilizează picături mici de lichid supraîncălzit care sunt suspendate într-o matrice de gel. Folosește principiul unei camere cu bule, dar, deoarece doar picăturile mici pot suferi o tranziție de fază la un moment dat, detectorul poate rămâne activ pentru perioade mult mai lungi. Când suficientă energie este depozitată într-o picătură prin radiații ionizante, picătura supraîncălzită devine o bulă de gaz. Dezvoltarea bulei este însoțită de o undă de șoc acustică care este preluată de senzori piezoelectrici. Principalul avantaj al tehnicii detectorului cu bule este că detectorul este aproape insensibil la radiațiile de fond. Sensibilitatea detectorului poate fi reglată prin schimbarea temperaturii, de obicei operată între 15 și 55 de centimetrii C. Există un alt experiment similar care utilizează această tehnică în Europa numit simplu.

PICASSO raportează rezultate (noiembrie 2009) pentru interacțiunile WIMP dependente de spin pe 19F, pentru mase de 24 Gev au fost obținute noi limite stricte pe secțiunea transversală dependentă de spin de 13,9 pb (90% CL). Limitele obținute restricționează interpretările recente ale efectului de modulare anual DAMA/LIBRA în ceea ce privește interacțiunile dependente de spin.

PICO este o extindere a conceptului planificat în 2015.

alte tipuri de camere de proiecție detector – timp (TPC) umplute cu gaze de joasă presiune sunt studiate pentru detectarea WIMP. Identificarea direcțională a reculului din piste (DRIFT) colaborarea încearcă să utilizeze direcționalitatea prezisă a semnalului WIMP. DRIFT folosește o țintă de disulfură de carbon, care permite reculurilor WIMP să călătorească câțiva milimetri, lăsând o urmă de particule încărcate. Această pistă încărcată este derivată într-un plan de citire MWPC care îi permite să fie reconstruită în trei dimensiuni și să determine direcția de origine. DMTPC este un experiment similar cu gazul CF4.

limite Recentemodificare

Fig. 2: grafic care arată spațiul parametric al masei particulelor de materie întunecată și secțiunea transversală de interacțiune cu nucleonii. Limitele LUX și SuperCDMS exclud spațiul parametrilor deasupra curbelor etichetate. Regiunile CoGeNT și CRESST-II indică regiuni despre care se credea anterior că corespund semnalelor materiei întunecate, dar care au fost explicate ulterior cu surse banale. Datele Dama și CDMS-Si rămân inexplicabile, iar aceste regiuni indică spațiul parametru preferat dacă aceste anomalii se datorează materiei întunecate.

în prezent, nu există detectări confirmate ale materiei întunecate din experimentele de detectare directă, cele mai puternice limite de excludere provenind din experimentele LUX și SuperCDMS, așa cum se arată în Figura 2.Cu 370 de kilograme de xenon LUX este mai sensibil decât xenonul sau CDM-urile. Primele rezultate din octombrie 2013 raportează că nu au fost observate semnale, par să respingă rezultatele obținute de la instrumente mai puțin sensibile. și acest lucru a fost confirmat după ce datele finale s-au încheiat în Mai 2016.

din punct de vedere istoric, au existat patru seturi anormale de date din diferite experimente de detectare directă, dintre care două au fost explicate acum cu fundaluri (CoGeNT și CRESST-II) și două care rămân inexplicabile (DAMA/LIBRA și CDMS-Si). În februarie 2010, cercetătorii de la CDMS au anunțat că au observat două evenimente care ar fi putut fi cauzate de coliziunile wimp-nucleu.

CoGeNT, un detector mai mic care utilizează un singur puc de germaniu, conceput pentru a detecta Wimp-urile cu mase mai mici, a raportat sute de evenimente de detectare în 56 de zile. Ei au observat o modulare anuală a ratei evenimentelor care ar putea indica materia întunecată ușoară. Cu toate acestea, o origine a materiei întunecate pentru evenimentele Cogente a fost respinsă de analize mai recente, în favoarea unei explicații în termeni de fundal din evenimentele de suprafață.

modularea anuală este una dintre semnăturile prezise ale unui semnal WIMP și, pe această bază, colaborarea DAMA a pretins o detectare pozitivă. Cu toate acestea, alte grupuri nu au confirmat acest rezultat. Datele CDMS făcute publice în mai 2004 exclud întreaga regiune de semnal DAMA, având în vedere anumite ipoteze standard despre proprietățile WIMPs și halo-ul materiei întunecate, iar acest lucru a fost urmat de multe alte experimente (vezi Fig 2, dreapta).

colaborarea cosinus-100 (o fuziune a grupurilor KIMS și DM-Ice) și–a publicat rezultatele privind replicarea semnalului dama/LIBRA în decembrie 2018 în revista Nature; concluzia lor a fost că „acest rezultat exclude interacțiunile wimp-nucleon ca fiind cauza modulației anuale observate de colaborarea DAMA”.

viitorul detectării directeedit

deceniul 2020 ar trebui să vadă apariția mai multor experimente de detectare directă a masei de mai multe tone, care vor sonda secțiuni transversale wimp-nucleu ordine de mărime mai mici decât sensibilitatea actuală de ultimă generație. Exemple de astfel de experimente de generație următoare sunt LUX-ZEPLIN (LZ) și XENONnT, care sunt experimente cu xenon lichid de mai multe tone, urmate de DARWIN, un alt experiment propus de detectare directă a xenonului lichid de 50–100 tone.

astfel de experimente de mai multe tone se vor confrunta, de asemenea, cu un nou fundal sub formă de neutrini, ceea ce le va limita capacitatea de a sonda spațiul parametrului WIMP dincolo de un anumit punct, cunoscut sub numele de podeaua neutrinilor. Cu toate acestea, deși numele său poate implica o limită dură, podeaua neutrino reprezintă regiunea spațiului parametrilor dincolo de care sensibilitatea experimentală se poate îmbunătăți doar în cel mai bun caz ca rădăcină pătrată a expunerii (produsul masei detectorului și al timpului de funcționare). Pentru masele WIMP Sub 10 GeV sursa dominantă de fundal neutrino este de la soare, în timp ce pentru masele mai mari fundalul conține contribuții de la neutrinii atmosferici și fundalul neutrino difuz al supernovei.