Svagt interagerande massiva partiklar
direkt detektion hänvisar till observationen av effekterna av en WIMP-nucleus kollision när den mörka materien passerar genom en detektor i ett Jordlaboratorium.Medan de flesta WIMP-modeller indikerar att ett tillräckligt stort antal WIMPs måste fångas i stora himmelska kroppar för att indirekta detektionsexperiment ska lyckas, är det fortfarande möjligt att dessa modeller antingen är felaktiga eller bara förklarar en del av fenomenet mörk materia. Således, även med de flera experimenten som är dedikerade till att tillhandahålla indirekta bevis för förekomsten av kall mörk materia, är direkta detektionsmätningar också nödvändiga för att stelna teorin om WIMPs.
även om de flesta WIMPs som möter solen eller jorden förväntas passera utan någon effekt, hoppas man att ett stort antal mörka materiewimps som passerar en tillräckligt stor detektor kommer att interagera tillräckligt ofta för att ses—åtminstone några händelser per år. Den allmänna strategin för nuvarande försök att upptäcka WIMPs är att hitta mycket känsliga system som kan skalas upp till stora volymer. Detta följer lärdomarna från historien om upptäckten och (nu) rutinmässig upptäckt av neutrino.
kryogena kristalldetektorer-en teknik som används av Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) – detektorn vid Soudan-gruvan är beroende av flera mycket kalla germanium-och kiselkristaller. Kristallerna (var och en ungefär storleken på en hockeypuck) kyls till cirka 50 mK. Ett lager av metall (aluminium och volfram) vid ytorna används för att detektera en WIMP som passerar genom kristallen. Denna design hoppas kunna upptäcka vibrationer i kristallmatrisen som genereras av en atom som ”sparkas” av en WIMP. Volfram transition edge sensorerna (TES) hålls vid den kritiska temperaturen så att de är i supraledande tillstånd. Stora kristallvibrationer genererar värme i metallen och kan detekteras på grund av en förändring i motståndet. CRESST, CoGeNT och EDELWEISS kör liknande inställningar.
ädelgas scintillatorer-ett annat sätt att upptäcka atomer som ”slås om” av en WIMP är att använda scintillerande material, så att ljuspulser genereras av den rörliga atomen och detekteras, ofta med PMT. Experiment som DEAP vid SNOLAB och DarkSide vid lngs-instrumentet en mycket stor målmassa av flytande argon för känsliga WIMP-sökningar. ZEPLIN och XENON använde xenon för att utesluta WIMPs vid högre känslighet, med de strängaste gränserna hittills tillhandahållna av XENON1T-detektorn, med 3,5 ton flytande xenon. Ännu större multi-ton flytande xenon detektorer har godkänts för konstruktion från XENON, LUX-ZEPLIN och PandaX samarbeten.
Kristallscintillatorer – istället för en flytande ädelgas är ett i princip enklare tillvägagångssätt användningen av en scintillerande kristall som NaI(Tl). Detta tillvägagångssätt tas av DAMA / LIBRA, ett experiment som observerade en ringformig modulering av signalen som överensstämmer med WIMP-detektering (se senaste gränsvärdena för 2 månader). Flera experiment försöker replikera dessa resultat, inklusive ANAIS och DM-Ice, som kodar Nai-kristaller med IceCube-detektorn vid Sydpolen. KIMS närmar sig samma problem med CsI (Tl) som en scintillator. Cosine-100–Samarbetet (en sammanslagning av KIMS-och DM-Ice-grupper) publicerade sina resultat om att replikera DAMA/LIBRA-signalen i December 2018 i journal Nature; deras slutsats var att ”detta resultat utesluter Wimp-nukleon-interaktioner som orsaken till den årliga moduleringen som observerats av DAMA-samarbetet”.
Bubble chambers-PICASSO (projekt i Kanada för att söka efter supersymmetriska objekt) experiment är en direkt mörk materia sök experiment som ligger på SNOLAB i Kanada. Den använder bubbeldetektorer med Freon som aktiv massa. PICASSO är övervägande känslig för spinnberoende interaktioner mellan WIMPs och fluoratomerna i freonen. COUPP, ett liknande experiment med trifluoroiodometan(CF3I), publicerade gränser för massa över 20 GeV 2011. De två experimenten slogs samman till PICO-samarbete 2012.
en bubbeldetektor är en strålningskänslig anordning som använder små droppar av överhettad vätska som suspenderas i en gelmatris. Den använder principen om en bubbelkammare, men eftersom endast de små dropparna kan genomgå en fasövergång åt gången kan detektorn vara aktiv under mycket längre perioder. När tillräckligt med energi deponeras i en droppe genom joniserande strålning blir den överhettade droppen en gasbubbla. Bubbelutvecklingen åtföljs av en akustisk chockvåg som plockas upp av piezoelektriska sensorer. Den största fördelen med bubbeldetektortekniken är att detektorn är nästan okänslig för bakgrundsstrålning. Detektorns känslighet kan justeras genom att ändra temperaturen, som vanligtvis drivs mellan 15 C och 55 C. Det finns ett annat liknande experiment med denna teknik i Europa som kallas enkel.
PICASSO rapporterar resultat (November 2009) för spin-beroende WIMP interaktioner på 19F, för massor av 24 Gev nya stränga gränser har erhållits på spin-beroende tvärsnitt av 13.9 pb (90% CL). De erhållna gränserna begränsar de senaste tolkningarna av DAMA/LIBRA årliga moduleringseffekten när det gäller spinnberoende interaktioner.
PICO är en utvidgning av konceptet som planeras 2015.
andra typer av detektor – tidsprojektionskammare (TPC) fyllda med lågtrycksgaser studeras för WIMP-detektering. Directional Recoil Identification From Tracks (DRIFT) samarbete försöker utnyttja den förutsagda riktningen för WIMP-signalen. DRIFT använder ett koldisulfidmål, som gör att WIMP-rekyl kan färdas flera millimeter och lämnar ett spår av laddade partiklar. Detta laddade spår drivs till ett mwpc-avläsningsplan som gör att det kan rekonstrueras i tre dimensioner och bestämma ursprungsriktningen. DMTPC är ett liknande experiment med CF4-gas.
senaste gränserredigera
det finns för närvarande inga bekräftade upptäckter av mörk materia från direkta detektionsexperiment, med de starkaste uteslutningsgränserna som kommer från Lux-och SuperCDMS-experimenten, som visas i Figur 2.Med 370 kg xenon är LUX känsligare än XENON eller CDMS. De första resultaten från oktober 2013 rapporterar att inga signaler sågs, vilket tycks motbevisa resultat från mindre känsliga instrument. och detta bekräftades efter att den slutliga datakörningen slutade i maj 2016.
historiskt har det funnits fyra avvikande uppsättningar data från olika direktdetekteringsexperiment, varav två nu har förklarats med bakgrunder (CoGeNT och CRESST-II) och två som förblir oförklarliga (DAMA/LIBRA och CDMS-Si). I februari 2010 meddelade forskare vid CDMS att de hade observerat två händelser som kan ha orsakats av WIMP-nucleus kollisioner.
CoGeNT, en mindre detektor med en enda germaniumpuck, utformad för att känna av WIMPs med mindre massor, rapporterade hundratals detekteringshändelser på 56 dagar. De observerade en årlig modulering i händelsehastigheten som kan indikera ljus mörk materia. Men en mörk materia ursprung för de övertygande händelserna har motbevisats av nyare analyser, till förmån för en förklaring i termer av en bakgrund från ythändelser.
årlig modulering är en av de förutsagda signaturerna för en WIMP-signal, och på grundval av detta har DAMA-samarbetet hävdat en positiv upptäckt. Andra grupper har dock inte bekräftat detta resultat. CDMS-data som offentliggjordes i maj 2004 utesluter hela DAMA-signalregionen med tanke på vissa standardantaganden om egenskaperna hos WIMPs och den mörka materiens halo, och detta har följts av många andra experiment (se Fig 2, höger).
cosinus-100–Samarbetet (en sammanslagning av KIMS-och DM-Ice-grupper) publicerade sina resultat om att replikera DAMA/LIBRA-signalen i December 2018 i journal Nature; deras slutsats var att ”detta resultat utesluter Wimp-nukleon-interaktioner som orsaken till den årliga moduleringen som observerats av DAMA-samarbetet”.
framtiden för direkt detektionedit
2020-decenniet bör se framväxten av flera multi-ton mass direktdetekteringsexperiment, som kommer att undersöka WIMP-nucleus tvärsnitt storleksordningar mindre än den nuvarande toppmoderna känsligheten. Exempel på sådana nästa generations experiment är LUX-ZEPLIN (LZ) och XENONnT, som är flera ton flytande xenonexperiment, följt av DARWIN, ett annat föreslaget flytande xenon-direktdetekteringsexperiment på 50-100 ton.
sådana experiment med flera ton kommer också att möta en ny bakgrund i form av neutrinor, vilket kommer att begränsa deras förmåga att sondra Wimp-parameterutrymmet bortom en viss punkt, känd som neutrinogolvet. Men även om dess namn kan innebära en hård gräns, representerar neutrinogolvet regionen av parameterutrymme bortom vilken experimentell känslighet endast kan förbättras i bästa fall som kvadratroten av exponering (produkten av detektormassa och körtid). För WIMP-massor under 10 GeV är den dominerande källan till neutrinobakgrund från solen, medan för högre massor innehåller bakgrunden bidrag från atmosfäriska neutrinoer och den diffusa Supernova neutrinobakgrunden.