Svagt interagerende massive partikler

direkte detektion henviser til observationen af virkningerne af en SKVATKERNEKOLLISION, når det mørke stof passerer gennem en detektor i et jordlaboratorium.Mens de fleste tøsedrenge-modeller indikerer, at et stort nok antal tøsedrenge skal fanges i store himmellegemer for at indirekte detekteringseksperimenter kan lykkes, er det stadig muligt, at disse modeller enten er forkerte eller kun forklarer en del af fænomenet mørkt stof. Selv med de mange eksperimenter, der er dedikeret til at tilvejebringe indirekte bevis for eksistensen af koldt mørkt stof, er direkte detektionsmålinger også nødvendige for at størkne teorien om tøsedrenge.

selvom de fleste tøsedrenge, der støder på solen eller jorden, forventes at passere uden nogen effekt, håber man, at et stort antal mørke stofpimps, der krydser en tilstrækkelig stor detektor, vil interagere ofte nok til at blive set—mindst et par begivenheder om året. Den generelle strategi for nuværende forsøg på at opdage tøsedrenge er at finde meget følsomme systemer, der kan skaleres op til store mængder. Dette følger erfaringerne fra historien om opdagelsen og (nu) rutinemæssig påvisning af neutrinoen.

Fig 1. CDMS parameter plads udelukket fra 2004. DAMA resultat er beliggende i grønt område og er ikke tilladt.

eksperimentelle teknikkerredit

kryogene krystaldetektorer – en teknik, der anvendes af Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) detektor ved Soudan-minen, er afhængig af flere meget kolde germanium-og siliciumkrystaller. Krystallerne (hver på størrelse med en hockey puck) afkøles til omkring 50 mK. Et lag af metal (aluminium og tungsten) på overfladerne bruges til at detektere en skvat, der passerer gennem krystallen. Dette design håber at opdage vibrationer i krystalmatricen genereret af et atom, der bliver “sparket” af en tøsedreng. Tungsten transition edge sensors (TES) holdes ved den kritiske temperatur, så de er i superledende tilstand. Store krystalvibrationer genererer varme i metallet og kan påvises på grund af en ændring i modstand. CRESST, CoGeNT og EDELVISS kører lignende opsætninger.

ædelgas scintillatorer – en anden måde at detektere atomer “banket om” af en skvat er at bruge scintillerende materiale, så lysimpulser genereres af det bevægende atom og detekteres, ofte med PMT ‘ er. Eksperimenter som DEAP ved SNOLAB og DarkSide ved lngs-instrumentet en meget stor målmasse af flydende argon til følsomme tøsedrenge-søgninger. Med de strengeste grænser til dato leveret af KSENON1T-detektoren, der bruger 3,5 tons flydende ksenon. Endnu større multi-ton flydende detektorer er blevet godkendt til konstruktion fra samarbejdet.

krystal scintillatorer – i stedet for en flydende ædelgas er en i princippet enklere tilgang brugen af en scintillerende krystal som NaI(Tl). Denne tilgang er taget af DAMA / LIBRA, et eksperiment, der observerede en ringformet modulering af signalet, der var i overensstemmelse med VIMP-detektion (se de seneste grænser). Flere eksperimenter forsøger at replikere disse resultater, herunder ANAIS og DM-Ice, som kodeployerer NaI-krystaller med IceCube-detektoren ved Sydpolen. KIMS nærmer sig det samme problem ved hjælp af CsI(Tl) som scintillator. Cosinus-100–samarbejdet (en sammensmeltning af KIMS-og DM-Ice-grupper) offentliggjorde deres resultater om replikering af DAMA/LIBRA-signalet i December 2018 i tidsskriftet Nature; deres konklusion var, at “dette resultat udelukker VIMP-nukleon-interaktioner som årsagen til den årlige modulering observeret af DAMA-samarbejdet”.

Bubble chambers – PICASSO (projekt i Canada for at søge efter supersymmetriske objekter) eksperiment er et direkte mørkt stof søgeeksperiment, der er placeret på SNOLAB i Canada. Det bruger bobledetektorer med Freon som den aktive masse. PICASSO er overvejende følsom over for spin-afhængige interaktioner af tøsedrenge med fluoratomer i Freon. COUPP, et lignende eksperiment ved hjælp af trifluoriodomethan(CF3I), offentliggjorde grænser for masse over 20 GeV i 2011. De to eksperimenter fusionerede i PICO samarbejde i 2012.

en bobledetektor er en strålingsfølsom enhed, der bruger små dråber af overophedet væske, der er suspenderet i en gelmatrice. Det bruger princippet om et boblekammer, men da kun de små dråber kan gennemgå en faseovergang ad gangen, kan detektoren forblive aktiv i meget længere perioder. Når nok energi deponeres i en dråbe ved ioniserende stråling, bliver den overophedede dråbe en gasboble. Bobleudviklingen ledsages af en akustisk stødbølge, der opfanges af pieso-elektriske sensorer. Den største fordel ved bobledetektorteknikken er, at detektoren næsten er ufølsom over for baggrundsstråling. Detektorfølsomheden kan justeres ved at ændre temperaturen, der typisk drives mellem 15 liter C og 55 liter C. Der er et andet lignende eksperiment ved hjælp af denne teknik i Europa kaldet SIMPLE.

PICASSO rapporterer resultater (November 2009) for spinafhængige tøsedreng-interaktioner på 19F, for masser på 24 Gev er der opnået nye strenge grænser for det spinafhængige tværsnit på 13,9 pb (90% CL). De opnåede grænser begrænser nylige fortolkninger af DAMA/LIBRA årlige modulationseffekt med hensyn til spinafhængige interaktioner.

PICO er en udvidelse af konceptet planlagt i 2015.

andre typer detektortidsprojektionskamre (TPC ‘ er) fyldt med lavtryksgasser undersøges til detektion af skvat. Retningsbestemt Recoil identifikation fra spor (DRIFT) samarbejde forsøger at udnytte den forudsagte retningsbestemmelse af skvat signal. DRIFT bruger et carbondisulfidmål, der gør det muligt for TØSEDRÅBER at bevæge sig flere millimeter, hvilket efterlader et spor af ladede partikler. Dette ladede spor drives til et MVPC-udlæsningsplan, der gør det muligt at rekonstruere det i tre dimensioner og bestemme oprindelsesretningen. DMTPC er et lignende eksperiment med CF4 gas.

seneste begrænsningerrediger

Fig. 2: Plot, der viser parameterrummet for mørkt stofpartikelmasse og interaktionstværsnit med nukleoner. Grænserne for luksus og SuperCDMS udelukker parameterrummet over de mærkede kurver. CoGeNT-og CRESST-II-regionerne angiver regioner, der tidligere blev antaget at svare til mørke materiesignaler, men som senere blev forklaret med verdslige kilder. DAMA-og CDMS-Si-dataene forbliver uforklarlige, og disse regioner angiver det foretrukne parameterrum, hvis disse anomalier skyldes mørkt stof.

der er i øjeblikket ingen bekræftede detektioner af mørkt stof fra direkte detekteringseksperimenter, hvor de stærkeste udelukkelsesgrænser kommer fra luksus-og SuperCDMS-eksperimenterne, som vist i figur 2.Med 370 kg er KSENON mere følsom end KSENON eller CDMS. De første resultater fra oktober 2013 rapporterer, at der ikke blev set nogen signaler, der ser ud til at tilbagevise resultater opnået fra mindre følsomme instrumenter. og dette blev bekræftet, efter at den endelige datakørsel sluttede i maj 2016.

historisk set har der været fire anomale datasæt fra forskellige direkte detekteringseksperimenter, hvoraf to nu er blevet forklaret med baggrunde (CoGeNT og CRESST-II), og to, der forbliver uforklarlige (DAMA/LIBRA og CDMS-Si). I februar 2010 meddelte forskere ved CDMS, at de havde observeret to begivenheder, der kan have været forårsaget af SKVATKERNEKOLLISIONER.

CoGeNT, en mindre detektor ved hjælp af en enkelt germanium puck, designet til at mærke tøsedrenge med mindre masser, rapporterede hundreder af detektionshændelser på 56 dage. De observerede en årlig modulering i begivenhedsfrekvensen, der kunne indikere lys mørkt stof. Imidlertid er en mørk stofoprindelse for de Cogene begivenheder blevet tilbagevist af nyere analyser til fordel for en forklaring i form af en baggrund fra overfladehændelser.

årlig modulering er en af de forudsagte signaturer af et skvat-signal, og på dette grundlag har DAMA-samarbejdet hævdet en positiv detektion. Andre grupper har imidlertid ikke bekræftet dette resultat. CDMS-data, der blev offentliggjort i maj 2004, udelukker hele DAMA-signalregionen i betragtning af visse standardantagelser om egenskaberne af tøsedrenge og den mørke stofhalo, og dette er blevet efterfulgt af mange andre eksperimenter (se figur 2, højre).

cosinus-100-samarbejdet (en sammensmeltning af KIMS–og DM-Ice-grupper) offentliggjorde deres resultater om replikering af DAMA/LIBRA-signalet i December 2018 i tidsskriftet Nature; deres konklusion var, at “dette resultat udelukker tøsedreng-nukleoninteraktioner som årsagen til den årlige modulering observeret af DAMA-samarbejdet”.

fremtiden for direkte detektionredit

2020-årtiet skulle se fremkomsten af flere multi-ton masse direkte detekteringseksperimenter, som vil sonde SKV-nucleus tværsnit størrelsesordener mindre end den nuværende state-of-the-art følsomhed. Eksempler på sådanne næste generations eksperimenter er forsøg med flere ton flydende forsøg, efterfulgt af et andet foreslået flydende forsøg med direkte påvisning af flydende forsøg på 50-100 tons.

sådanne multi-ton eksperimenter vil også stå over for en ny baggrund i form af neutrinoer, som vil begrænse deres evne til at undersøge PARAMETERRUMMET ud over et bestemt punkt, kendt som neutrino-gulvet. Selvom navnet kan antyde en hård grænse, repræsenterer neutrino-gulvet det område af parameterrum, ud over hvilket eksperimentel følsomhed kun i bedste fald kan forbedres som kvadratroden af eksponering (produktet af detektormasse og driftstid). For SKVATMASSER under 10 GeV er den dominerende kilde til neutrino baggrund fra solen, mens baggrunden for højere masser indeholder bidrag fra atmosfæriske neutrinoer og den diffuse supernova neutrino baggrund.