Direkt detektering av mörk materia
Direkt detektering av mörk materia är vetenskapen om att försöka direkt mäta kollisioner med mörk materia i jordbaserade experiment. Moderna astrofysiska mätningar, såsom från den kosmiska mikrovågsbakgrunden , indikerar starkt att 85 % av universums materiainnehåll saknas. Även om förekomsten av mörk materia är allmänt trott, vilken form den tar eller dess exakta egenskaper har aldrig fastställts. Det finns tre huvudsakliga forskningsvägar för att upptäcka mörk materia: försök att göra mörk materia i acceleratorer , indirekt detektering av förintelse av mörk materia och direkt upptäckt av mörk materia i jordlevande laboratorier. Grundprincipen för detektering av direkt mörk materia är att eftersom mörk materia är känd för att existera i lokaluniversum, då jorden, solsystemet och Vintergatans galax utskär en väg genom universum måste de fånga upp mörk materia, oavsett vad form den tar.
Direkt detektering av mörk materia står inför flera praktiska utmaningar. De teoretiska gränserna för den förmodade massan av mörk materia är enorma och spänner över cirka 90 storleksordningar från 10 −21 eV till ungefär samma som en solmassa . Den nedre gränsen för mörk materia begränsas av kunskapen om att mörk materia finns i dvärggalaxer. Från denna kunskap sätts en lägre begränsning på massan av mörk materia, eftersom all mindre massiv mörk materia skulle ha en de Broglie-våglängd som är för massiv för att passa in i observerade dvärggalaxer. I andra änden av spektrumet begränsas den övre gränsen för massan av mörk materia experimentellt; gravitationell mikrolinsning med Kepler-teleskopet görs för att detektera MACHOs (MAssive Compact Halo Objects). Nollresultat av detta experiment utesluter alla kandidater för mörk materia som är mer massiva än ungefär en solmassa. Som ett resultat av detta extremt stora parameterutrymme finns det ett brett utbud av föreslagna typer av mörk materia, förutom ett brett utbud av föreslagna experiment och metoder för att upptäcka dem. Spektrumet av den föreslagna massan av mörk materia är uppdelad i tre breda, löst definierade kategorier enligt följande:
Inom intervallet zepto- elektronvolt (zeV) till 1 eV förutsäger teorier en bosonisk eller fältliknande mörk materia. Den primära kandidaten för mörk materia i intervallet är axioner eller axionsliknande partiklar . Från cirka 1 eV till Planckmassan förväntas mörk materia vara fermionisk eller partikelliknande. Favoriter i det här sortimentet inkluderar WIMPS , termiska reliker och sterila neutrinos . Slutligen, i massintervallet mellan Planckmassan och massor i storleksordningen av solmassan, skulle mörk materia vara en sammansatt partikel. Den ledande teorin för sammansatt mörk materia är primordiala svarta hål .
Bosonisk / fält mörk materia
Varje mörk materiakandidat med en massa mindre än ungefär 1 eV och större än 1 eV förväntas vara bosoner eller ett fält, i motsats till en mer traditionell partikel. Någon mindre massa kunde inte passa in sin de Broglie-våglängd i dvärggalaxer.
Axioner
Axioner är teoretiska, ännu oupptäckta, subatomära partiklar som ursprungligen föreslogs 1977 för att lösa inkonsekvenser i standardmodellen, dvs det starka CP-problemet . En konsekvens av denna lösning är att generera ett axionsfält, vilket i sin tur skulle indikera ett kosmologiskt överflöd av axioner som beror på axionens massa. Om axionmassan är tyngre än 5 μeV/c 2 , då kan axioner stå för alla mörka materiafenomen.
Ett av de enda experimenten för att upptäcka axioner som mörk materia är Axion Dark Matter Experiment (ADMX) . ADMX ligger vid University of Washington och använder en resonant mikrovågshålighet i ett starkt magnetfält för att omvandla mörk materia till mikrovågsfotoner med hjälp av Primakoff-effekten . Mikrovågshåligheter är enkla elektriska enheter som är byggda för att resonera vid extremt exakta frekvenser för att skapa stående mikrovågor inuti hålrummet. ADMX använder denna teknik för att ställa in sin mikrovågshålighet till resonansen hos axioner som finns i Vintergatans halo . Syftet med detta är att öka interaktionen mellan axioner och det högstyrka åtta Tesla-magnetfältet som finns för att bättre underlätta Primakoff-effekten. Primakoff-effekten är en ännu obeprövad mekanism för produktion av mesoner från högenergiinteraktioner mellan fotoner och en kärna. Axioner kvalificerar sig för denna interaktion, vilket innebär att ökänt odetekterbar mörk materia teoretiskt sett skulle kunna omvandlas till vardagliga fotoner. Även om ADMX ännu inte har upptäckt mörk materia, är dess kapacitet lovande. Experimentet är kapabelt att sondera tidigare svåråtkomliga delar av parameterutrymmet. Den primära nackdelen med ADMX-experimentet är att mikrovågshåligheten kräver mycket finjustering, vilket innebär att endast en liten del av parameterutrymmet undersöks åt gången.
Svagt interagerande smala partiklar (WISP)
Weakly Interacting Slim Particles (WISPs) är en bredare kategori av partiklar med extremt små massor och interaktionstvärsnitt, av vilka axioner ingår. Aktiva neutrinos är den enda WISP som bekräftats existera, även om de definitivt har uteslutits som en kandidat för mörk materia. I vanlig användning används WISP i allmänhet för att hänvisa till alla icke-axionella ultraljusa partiklar av mörk materia. Ledande teorier tyder på att sådana partiklar skulle interagera med standardmodellen till stor del genom koppling till fotoner, och skulle överleva till den moderna eran efter skapandet i det tidiga universum.
Fermionisk / partikel mörk materia
Massor av mörk materia mellan 1 eV och Planckmassan antas vara fermioniska partiklar.
Svagt interagerande massiva partiklar
Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) är en bred kategori av teoretiska partiklar, som inte interagerar alls eller mycket svagt med alla krafter utom gravitationen. WIMPs är en medlem av en bredare kategori av partiklar som kallas termiska reliker , partiklar som skapades termiskt i det tidiga universum, i motsats till att skapas icke-termiskt senare under en fasövergång. Som med alla kandidater för mörk materia är sannolikheten för interaktion utomordentligt låg, vilket leder till att en mängd olika tekniker måste utvecklas.
Experimentella tekniker
Direkt detektering av mörk materia är baserad på antagandet att eftersom det är känt att mörk materia existerar i någon form, måste jorden fånga upp en del när den skär ut en väg genom universum. Direktdetekteringsexperiment försöker skapa mycket känsliga system som kan upptäcka dessa sällsynta och svaga händelser.
Kryogena kristalldetektorer
Kryogena kristalldetektorer använder skivor av germanium och kisel kylda till cirka 50 millikelvin. Dessa skivor är belagda i antingen volfram eller aluminium. En interagerande WIMP skulle i teorin excitera kristallgittret och skicka vibrationer till ytan, som hålls exakt vid dess supraledningströskel. På grund av detta är beläggningsmaterialets resistivitet starkt beroende av värme, tillräckligt för att energin som avsätts av vibrationen är detekterbar.
En sådan detektor är Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers (CREST) som finns vid Gran Sasso National Laboratory i Assergi, Italien. CRESST har arbetat i flera generationer sedan 2000 och har kontinuerligt utvecklat och förbättrat sitt känslighetsområde, även om det ännu inte definitivt har upptäckt mörk materia. Som en anmärkningsvärd sidoprestation var CRESST det första experimentet för att upptäcka alfasönderfallet av volfram-180 . Den senaste generationen av CRESST har förbättrat sina möjligheter att detektera mörk materia WIMP så lätt som 160 MeV/c 2 .
Ädelgasscintillatorer
Ädelgasscintillatorer använder egenskaperna hos vissa material för att scintillera, vilket är när ett material absorberar energi från en partikel och avger samma mängd energi som ljus . Av särskilt intresse för detektering av mörk materia är användningen av ädelgaser, ännu mer specifikt flytande xenon.
XENON - serien av experiment, som också finns på Gran Sasso National Lab, är en ledande användare av flytande xenonscintillatorer. Gemensamt för alla generationer av experimentet består detektorn av en tank med flytande xenon med ett gasformigt skikt ovanpå. På toppen och botten av detektorn finns ett lager av fotomultiplikatorrör ( PMT). När en mörk materia partikel kolliderar med det flytande xenonet frigör den snabbt en foton som detekteras av PMT:erna. För att korsrefera denna datapunkt appliceras ett elektriskt fält som är tillräckligt stort för att förhindra fullständig rekombination av elektronerna som slås loss av interaktionen. Dessa glider till toppen av detektorn och detekteras också, vilket skapar två separata detekteringar för varje händelse. Att mäta tidsfördröjningen mellan dessa möjliggör en fullständig 3D-rekonstruktion av interaktionen. Detektorn kan också skilja mellan elektroniska rekyler och nukleära rekyler, eftersom båda typerna av händelser skulle producera olika förhållanden mellan fotonenergin och den frigjorda elektronenergin.
Den senast avslutade versionen av XENON-experimentet är XENON1T, som använde 3,2 ton flytande xenon. Detta experiment gav en då rekordgräns för tvärsnittet av WIMP mörk materia på 4,1 × 10 -47 cm 2 vid en massa av 30 GeV/c 2 . Den senaste iterationen av XENON-serien är XENONnT, som för närvarande körs med 8 toner flytande xenon. Detta experiment förväntas kunna undersöka WIMP-nukleon- tvärsnitt på 1,4 × 10 -48 cm 2 för en 50 GeV/c 2 WIMP-massa. Vid detta ultralåga tvärsnitt förutspås interferens från neutrinoflödet i bakgrunden vara problematisk.
Kristallscintillatorer
Kristallscintillatorexperiment är en medelväg mellan kryogena kristalldetektorer och ädelgasscintillatorer, som använder kristallerna från de förra och scintillationsegenskaperna hos de senare. Ett sådant experiment som använder denna teknik är DAMA/LIBRA-experimentet, återigen beläget i Gran Sasso National Laboratory i Italien. Unikt för experiment med mörk materia DAMA/LIBRA försöker mäta en årlig variation av flödet av mörk materia. Detta koncept är född ur vetskapen om att när jordens rotation kommer synkroniserat och osynkroniserat med solens rörelse genom Vintergatan, skulle den relativa rörelsen av en markbaserad detektor till mörkmateriens halo förändras, vilket resulterar i ett annorlunda flöde av mörker materia. DAMA/LIBRA har hävdat att de ser sådan modulering, även om det vetenskapliga samfundet som helhet ännu inte har accepterat dessa resultat som giltiga. De som inte tror på detta resultat hävdar att det inte beror på en variation av WIMP-flödet, utan snarare på okontrollerade säsongsförändringar. För att testa detta byggs andra liknande experiment, nämligen Sodium-jodide with Active Background Rejection (SABRE) i Gran Sasso och en annan installation i Australien. Syftet med att sprida ut experimenten över båda hemisfärerna är att om moduleringen för platserna är synkroniserad så skulle det positivt indikera en förändring i flödet av mörk materia, medan om de uppmätta variationerna är sex månader osynkroniserade så skulle det indikera utan hänsyn till säsongsvariationer.
Bubbelkammare
Bubbelkammare , som ursprungligen uppfanns 1952, fasas till stor del ut men har fortfarande viss användning för WIMP-detektering av mörk materia. Bubbelkammare är fyllda med överhettad vätska som hålls nära dess fasövergång. När en partikel interagerar med den överhettade vätskan räcker energin den ger för att utlösa en fasövergång, vilket gör att laddade partiklar lämnar ett joniseringsspår av bubblor, som detekteras. Ett sådant experiment som använder en bubbelkammare är PICO , vid SNOLAB i Kanada. PICO bildades 2013 som en kombination av två tidigare liknande experiment, PICASSO och COUPP . PICO använder en mer avancerad form av en bubbelkammare, med individuella droppar av en överhettad gas, nämligen Freon, som är suspenderade i en gelmatris. Fördelen med denna inställning är att de enskilda dropparna saktar ner fasövergången, vilket möjliggör längre perioder av detektoraktivitet. PICO har för närvarande en 2 liters och en 60 liters detektor, med en ny version med en massa i intervallet 250-500 liter som planeras. Även om PICO som alla bubbelkammare har fantastiskt lågt bakgrundsljud, upptäcker de fortfarande avvikande bakgrundshändelser som inte överensstämmer med antagna mörk materia-egenskaper. Dessutom kunde PICO utesluta interaktioner med oönskat jod som orsaken till det tidigare nämnda DAMA/LIBRA-experimentets påstådda modulering av mörk materia.
Sterila neutriner
En steril neutrino är en typ av neutrino som endast interagerar via gravitationen. Den svaga kraften interagerar endast med partiklar med vänsterkiralitet eller vänsterhänta neutriner. Sterila neutriner föreslås vara högerhänta, vilket betyder att de bara skulle interagera med gravitationen. Sterila neutriner är livskraftiga kandidater för mörk materia eftersom de endast interagerar via gravitationen, som förutspås för mörk materia. Tyvärr förutspår de flesta aktuella teorier kall mörk materia , vilket betyder kandidater för mörk materia som är icke-relativistiska. På grund av sin massa och energi skulle sterila neutriner troligen vara relativistiska och därmed räknas som het mörk materia . Sterila neutriner kan fortfarande vara en beståndsdel i mörk materia, men det är högst osannolikt att de är den enda komponenten.
Sammansatt mörk materia
Den mörka materiens massa mellan Planckmassan och de i storleksordningen av solmassan antas vara makroskopiska sammansatta objekt. Massor långt bortom solmassan utesluts observationsmässigt av bristen på gravitationella mikrolinsningshändelser med Kepler-teleskopet .
Ursprungligt svart hål
Ursprungliga svarta hål är svarta hål som bildades mycket tidigt i universum och utan att en stjärna kollapsade. Teorin bakom primordiala svarta hål är att i det extremt tidiga universum, under en sekund, skulle slumpmässiga fluktuationer orsaka lokal gravitationskollaps till svarta hål. Eftersom ursprungliga svarta hål inte bildades från stjärnkollaps, kan de ha massor långt under en solmassa, allt från 10 nano-kilogram till många solmassor. Emellertid skulle endast ursprungliga svarta hål med massor över 10^11 kg fortfarande existera idag, eftersom alla mindre massiva helt skulle ha avdunstat via Hawking-strålning i den moderna eran.
Ursprungliga svarta hål är rimliga kandidater för mörk materia, men argument baserade på deras observerade överflöd kastar tvivel om deras förmåga att vara den enda beståndsdelen av mörk materia. Omvänt hävdar andra forskargrupper att gravitationsvågor som detekteras av LIGO/VIRGO överensstämmer med ursprungliga svarta hål som utgör 100 % av mörk materia, givet om en relativt stor mängd av dem var samlade i dvärggalaxernas glorier. En ytterligare inkonsekvens med detta påstående är att den ursprungliga svarta hålsmassan som hävdas kan överlappa med uteslutet massområde från Kepler-mikrolinser.
Rymdfarkosten GAIA , uppskjuten av Europeiska rymdorganisationen, har till uppgift att skapa den största och mest detaljerade kartan över rymden och alla objekt inom den som någonsin skapats, inklusive möjliga kompositkandidater för mörk materia. Även om de inte specifikt söker efter mörk materia, är det möjligt att forskare av mörk materia kommer att kunna hitta mörk materia bland de 1 miljard föremål som den kommer att katalogisera under sin livstid.