La ricerca della materia oscura con particelle ci ha portato a cercare WIMP che potrebbero indietreggiare con i nuclei atomici. La collaborazione LZ fornirà i migliori limiti di tutte le sezioni dei nuclei WIMP, ma sono già esclusi gli scenari più motivati ​​per avere una particella a forza debole alla o vicino alla scala elettrodebole che costituisce il 100% della materia oscura . (LUX-ZEPLIN (LZ) COLLABORAZIONE / LABORATORIO DELL'ACCELERATORE NAZIONALE SLAC)

Il "WIMP Miracle" Hope For Dark Matter è morto

Ma non dovremmo rinunciare al rilevamento diretto. Ecco perché.

La materia oscura non è solo la forma più abbondante di materia nell'Universo, è anche la più misteriosa. Mentre tutte le altre particelle che conosciamo - atomi, neutrini, fotoni, antimateria e tutte le altre particelle nel Modello Standard - interagiscono attraverso almeno una delle forze quantiche conosciute, la materia oscura sembra interagire solo attraverso la gravità.

Secondo molti, sarebbe meglio chiamarla materia invisibile, piuttosto che materia oscura. Non solo non emette né assorbe la luce, ma non interagisce con nessuna delle particelle conosciute e direttamente rilevabili attraverso le forze nucleari elettromagnetiche, forti o deboli. Il candidato più richiesto per la materia oscura è il WIMP: la particella voluminosa che interagisce debolmente. La grande speranza era per un miracolo WIMP, una grande previsione di supersimmetria.

È il 2019 e quella speranza è ormai delusa. Esperimenti di rilevamento diretto hanno completamente escluso i WIMP che speravamo.

Quando si scontrano due particelle insieme, si sondano la struttura interna delle particelle in collisione. Se uno di questi non è fondamentale, ma è piuttosto una particella composita, questi esperimenti possono rivelare la sua struttura interna. Qui, un esperimento è progettato per misurare il segnale di dispersione della materia oscura / nucleone. Tuttavia, ci sono molti contributi banali e di base che potrebbero dare un risultato simile. Questo particolare segnale apparirà nei rivelatori Germanio, XENON liquido e ARGON liquido. (PANORAMICA MATERIA SCURA: COLLIDER, RICERCHE DI RILEVAMENTO DIRETTO E INDIRETTO - QUEIROZ, FARINALDO S. ARXIV: 1605.08788)

L'universo, da una prospettiva astrofisica, deve essere fatto di qualcosa di più della semplice materia che conosciamo. La materia normale, in questo caso, si qualifica come una qualsiasi delle particelle conosciute nel Modello Standard. Include tutto ciò che è composto da quark, leptoni o bosoni noti e include oggetti esotici come stelle di neutroni, buchi neri e antimateria. Tutta la materia normale nell'Universo è stata quantificata attraverso una varietà di metodi, e ammonta solo a circa un sesto di ciò che deve essere presente, nel complesso, per spiegare le interazioni gravitazionali che vediamo sulle scale cosmiche.

Il grosso problema, ovviamente, è che tutte le nostre prove per la materia oscura sono indirette. Possiamo osservarne gli effetti nel laboratorio astrofisico dello spazio, ma non l'abbiamo mai rilevato direttamente, in un laboratorio qui sulla Terra. Questo non è, intendiamoci, per mancanza di tentativi.

Sala B di GNL con installazioni XENON, con il rivelatore installato all'interno del grande scudo d'acqua. Se esiste una sezione diversa da zero tra la materia oscura e la materia normale, non solo un esperimento come questo avrà la possibilità di rilevare direttamente la materia oscura, ma c'è anche la possibilità che la materia oscura possa interagire con il tuo corpo umano. (INFN)

Se si desidera rilevare direttamente la materia oscura, non è così semplice come rilevare le particelle conosciute del modello standard. Per qualsiasi cosa fatta di quark, leptoni o bosoni conosciuti, possiamo quantificare le forze attraverso cui interagiscono e con quale grandezza. Possiamo usare ciò che sappiamo della fisica, e in particolare delle forze note e delle interazioni tra le particelle conosciute, per prevedere quantità come sezioni trasversali, tassi di decadimento e prodotti, ampiezze di scattering e altre proprietà che siamo in grado di misurare in modo sperimentale fisica delle particelle.

A partire dal 2019, abbiamo riscontrato un enorme successo su quei fronti che hanno confermato il Modello standard in modi che teorici e sperimentatori avrebbero potuto solo sognare mezzo secolo fa. Rivelatori di collettori e strutture sotterranee isolate hanno aperto la strada.

Le particelle e le antiparticelle del Modello Standard ora sono state tutte direttamente rilevate, con l'ultimo controllo, il bosone di Higgs, che cadde all'LHC all'inizio di questo decennio. Tutte queste particelle possono essere create alle energie LHC e le masse delle particelle portano a costanti fondamentali che sono assolutamente necessarie per descriverle completamente. Queste particelle possono essere ben descritte dalla fisica delle teorie dei campi quantistici alla base del Modello Standard, ma non descrivono tutto, come la materia oscura. (E. SIEGEL / OLTRE LA GALASSIA)

Esiste un intero spettro di particelle - sia fondamentali che composte - previste dal Modello standard. Le loro interazioni attraverso le forze nucleari forti, elettromagnetiche e deboli possono essere calcolate attraverso tecniche sviluppate nella teoria dei campi quantistici, permettendoci di creare e rilevare quelle particelle in una varietà di modi.

Ogni singolo quark e antiquark è stato ora prodotto direttamente in un acceleratore, con il quark top, l'ultimo holdout, che cade nel 1995.

Tutti i leptoni e gli antileponi sono stati visti dai rivelatori, con il neutrino tau (e la sua controparte antimateria, l'antineutrino tau) che completava il settore leptone nella prima metà degli anni 2000.

E anche tutti i bosoni del modello standard sono stati creati e rilevati, con il bosone di Higgs, l'ultimo pezzo del puzzle, che è apparso definitivamente all'LHC nel 2012.

Il primo robusto rilevamento a 5 sigmi del bosone di Higgs è stato annunciato alcuni anni fa dalle collaborazioni CMS e ATLAS. Ma il bosone di Higgs non crea un singolo

Comprendiamo come si comportano le particelle del Modello standard. Abbiamo solide previsioni su come dovrebbero interagire attraverso tutte le forze fondamentali e la conferma sperimentale di tali teorie. Abbiamo anche vincoli straordinari sul modo in cui sono autorizzati a interagire in un modo oltre il modello standard. A causa dei nostri vincoli da acceleratori, raggi cosmici, esperimenti di decadimento, reattori nucleari e altro, siamo stati in grado di escludere molte possibili idee che sono state teorizzate.

Quando si tratta di ciò che potrebbe costituire la materia oscura, tuttavia, tutto ciò che abbiamo sono le osservazioni astrofisiche e il nostro lavoro teorico, in tandem, per guidarci. Le possibili teorie che abbiamo escogitato includono un numero enorme di candidati di materia oscura, ma nessuno che ha raccolto alcun supporto sperimentale.

Le forze nell'universo e se possono accoppiarsi o meno alla materia oscura. La gravità è una certezza; tutti gli altri non lo sono o sono fortemente vincolati al livello di interazione. (ISTITUTO PERIMETRO)

Il candidato più richiesto per la materia oscura è il WIMP: la particella voluminosa che interagisce debolmente. All'inizio - cioè, negli anni '70 - si è realizzato che alcune teorie della fisica delle particelle che predissero nuove particelle oltre il Modello standard potrebbero eventualmente produrre nuovi tipi di particelle stabili e neutre se ci fosse un nuovo tipo di parità (un tipo di simmetria) che ha impedito loro di decadere.

Questo ora include idee come supersimmetria, dimensioni extra o il piccolo scenario di Higgs. Tutti questi scenari hanno la stessa storia in comune:

  • Quando l'Universo era caldo e denso all'inizio, tutte le particelle (e le antiparticelle) che potevano essere create furono create in grande abbondanza, comprese quelle extra, oltre il Modello Standard.
  • Quando l'Universo si è raffreddato, quelle particelle si sono decomposte in quelle progressivamente più leggere e più stabili.
  • E se il più leggero fosse stabile (a causa della nuova simmetria di parità) ed elettricamente neutro, persisterebbe fino ai giorni nostri.

Se si valuta quale sia la massa e la sezione trasversale di quelle nuove particelle, oggi è possibile ottenere una densità prevista per la loro abbondanza stimata.

Per ottenere la corretta abbondanza cosmologica della materia oscura (asse y), è necessario che la materia oscura abbia le giuste sezioni trasversali di interazione con la materia normale (a sinistra) e le proprietà di auto-annientamento a destra (a destra). Gli esperimenti di rilevamento diretto ora escludono questi valori, richiesti da Planck (verde), sfavorendo la materia oscura WIMP che interagisce con la forza debole. (P.S. BHUPAL DEV, ANUPAM MAZUMDAR e SALEH QUTUB, FRONT.IN PHYS.2 (2014) 26)

È qui che è nata l'idea della materia oscura di WIMP. Queste nuove particelle non avrebbero potuto interagire attraverso l'interazione forte o elettromagnetica; quelle interazioni hanno una sezione troppo alta e sarebbero già state mostrate. Ma la debole interazione nucleare è una possibilità. In origine, la "W" in WIMP rappresentava la debole interazione, a causa di una spettacolare coincidenza (che appare in supersimmetria) nota come il miracolo WIMP.

Se inserisci la densità della materia oscura che l'Universo richiede oggi, puoi dedurre quante particelle di materia oscura hai bisogno di una data massa per crearla. La scala di massa di interesse per la supersimmetria - o qualsiasi teoria che appare alla scala elettrodebole - è nel campo di gioco da 100 GeV a 1 TeV, quindi possiamo calcolare quale deve essere la sezione di autoannientamento al fine di ottenere la giusta abbondanza di materia oscura.

Quel valore (della sezione trasversale moltiplicato per la velocità) risulta essere di circa 3 × 10 ^ –26 cm³ / s, il che è perfettamente in linea con quello che ti aspetteresti se tali particelle interagissero attraverso la forza elettrodebole.

Oggi, i diagrammi di Feynman sono utilizzati nel calcolo di ogni interazione fondamentale che abbraccia le forze forti, deboli ed elettromagnetiche, anche in condizioni di alta energia e bassa temperatura / condensata. Se esiste una nuova particella che si accoppia all'interazione debole, interagiranno, ad un certo livello, con le particelle del Modello Standard conosciute, e quindi avranno una sezione trasversale con il protone e il neutrone. (DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL. NUCL.PHYS. B875 (2013) 738-756)

Naturalmente, se eventuali nuove particelle interagiscono attraverso la forza elettrodebole, si accoppieranno anche alle particelle del Modello Standard. Se una nuova particella si accoppia, per esempio, al bosone W o Z (che trasporta la forza debole), allora c'è una probabilità finita, diversa da zero, che queste particelle si scontrino con qualsiasi particella a cui un bosone W o Z si accoppia, come un quark all'interno di un protone o neutrone.

Ciò significa che possiamo costruire esperimenti sulla materia oscura alla ricerca di un rinculo nucleare di particelle note e normali di materia. Indietreggiare oltre quelli causati dalla materia normale sarebbe la prova dell'esistenza della materia oscura. Certo, ci sono eventi di fondo: neutroni, neutrini, nuclei in decomposizione radioattiva nella materia circostante, ecc. Ma se conosci le combinazioni di energia e quantità di moto del segnale che stai cercando e progetti il ​​tuo esperimento in modo intelligente, puoi quantificare il tuo sfondo ed estrarre qualsiasi potenziale segnale di materia oscura che potrebbe essere lì.

I limiti della sezione trasversale di protoni e neutroni della collaborazione LUX, che ha effettivamente escluso l'ultimo spazio dei parametri dell'era 2000 per i WIMP che interagiscono attraverso la forza debole essendo il 100% della materia oscura. Si noti, nelle aree leggermente ombreggiate in background, in che modo i teorici stanno facendo nuove previsioni

Questi esperimenti sono in corso da decenni e non hanno visto materia oscura. I vincoli moderni più rigorosi provengono da LUX (sopra) e XENON 1T (sotto). Questi risultati ci informano che la sezione di interazione per protoni e neutroni è straordinariamente minuscola e differisce per scenari sia spin-dipendenti che spin-indipendenti.

LUX ci ha portato a limiti di sezione dipendenti dallo spin inferiori a 1,0–1,6 × 10 ^ −41 cm² per protoni e neutroni e a quelli indipendenti dallo spin inferiore a 1,0 × 10 ^ −46 cm²: abbastanza bassi da escludere tutti i modelli di SUSY materia oscura proposta nel 2001. Un vincolo più sensibile viene ora da XENON: il vincolo di neutroni dipendente dallo spin è di 6 × 10-42 cm², mentre le sezioni indipendenti dallo spin sono inferiori a 4,1 × 10−47 cm², stringendo ulteriormente le viti .

La sezione WIMP / nucleone indipendente dallo spin ora ottiene i suoi limiti più severi dall'esperimento XENON1T, che è migliorato rispetto a tutti gli esperimenti precedenti, incluso LUX. Mentre teorici e fenomenologi continueranno senza dubbio a produrre nuove previsioni con sezioni sempre più piccole, l'idea di un miracolo WIMP ha perso ogni ragionevole motivazione con i risultati sperimentali che abbiamo già in mano. (E. APRILE ET AL., PHYS. REV. LETT. 121, 111302 (2018))

Questa misura è diversa dall'avere auto-annientato le particelle di materia oscura, ma quella misura ci dice qualcosa di incredibilmente prezioso. I modelli di supersimmetria o dimensioni extra che danno la giusta quantità di materia oscura attraverso le interazioni deboli sono esclusi da questi esperimenti. Se c'è materia oscura WIMP, deve essere più debole di quanto l'interazione debole consenta di comprendere il 100% della materia oscura. Inoltre, l'LHC non dovrebbe produrlo in modo determinabile.

I teorici possono sempre modificare i loro modelli, e hanno fatto così tante volte, spingendo la sezione trasversale anticipata verso il basso e verso il basso come risultato nullo dopo il risultato nullo. Questo è il peggior tipo di scienza che puoi fare, tuttavia: semplicemente spostando i pali per no motivi fisici diversi dai vincoli sperimentali sono diventati più gravi. Non c'è più alcuna motivazione, se non quella di preferire una conclusione che i dati escludono, nel farlo.

C'era una grande varietà di potenziali nuove firme fisiche che i fisici hanno cercato nell'LHC, dalle dimensioni extra alla materia oscura alle particelle supersimmetriche ai buchi micro-neri. Nonostante tutti i dati che abbiamo raccolto da queste collisioni ad alta energia, nessuno di questi scenari ha mostrato prove a sostegno della loro esistenza. (ESPERIMENTO CERN / ATLAS)

Ma eseguire questi esperimenti di rilevazione diretta è ancora incredibilmente prezioso. Esistono altri modi per produrre materia oscura che vanno oltre lo scenario più convenzionale. Inoltre, questi vincoli non richiedono una fonte di materia oscura non WIMPy. Molti altri scenari interessanti non hanno bisogno di un miracolo WIMP.

Per molti decenni, è stato riconosciuto che la "W" non rappresenta l'interazione debole, ma rappresenta un'interazione non più forte di quella consentita dalla forza debole. Se abbiamo nuove particelle oltre il Modello standard, possiamo avere anche nuove forze e interazioni. Esperimenti come XENON e LUX sono il nostro unico modo per sondarli.

Inoltre, i candidati della materia oscura che sono prodotti da un diverso meccanismo a intervalli di massa inferiori, come assioni o neutrini sterili, o solo attraverso l'interazione gravitazionale a masse più elevate, come WIMPzillas, sono molto in gioco.

L'impostazione criogenica di uno degli esperimenti che cercano di sfruttare un'ipotetica interazione per un candidato non WIMP della materia oscura: l'assione. Gli assioni, se sono la materia oscura, potrebbero convertirsi in fotoni attraverso l'interazione elettromagnetica e la cavità mostrata qui è progettata per verificare tale possibilità. Tuttavia, se la materia oscura non ha le proprietà specifiche per le quali gli attuali esperimenti stanno testando, nessuno dei rilevatori che abbiamo costruito lo troverà mai direttamente. (AXION DARK MATTER EXPERIMENT (ADMX) / LLNL'S FLICKR)

La nostra caccia alla materia oscura in laboratorio, attraverso sforzi di rilevazione diretta, continua a porre importanti vincoli su ciò che la fisica può essere presente oltre il Modello Standard. Per coloro che sono sposati ai miracoli, tuttavia, qualsiasi risultato positivo ora appare sempre più improbabile. Quella ricerca ricorda ora l'ubriaco che cerca le sue chiavi perse sotto il lampione. Sa che non ci sono, ma è l'unico posto in cui la luce che gli permette di guardare brilla.

Il miracolo del WIMP può essere morto e scomparso, poiché le particelle che interagiscono attraverso la forza debole sulla scala elettrodebole sono state sfavorevoli sia ai collettori che al rilevamento diretto. L'idea della materia oscura di WIMP, tuttavia, sopravvive. Dobbiamo solo ricordare, quando ascolti WIMP, includiamo la materia oscura che è più debole e più debole di quanto permetteranno anche le interazioni deboli. C'è indubbiamente qualcosa di nuovo là fuori nell'Universo, in attesa di essere scoperto.

Il miracolo di WIMP è finito. Ma potremmo ancora ottenere il miglior miracolo di tutti: se questi esperimenti rivelano qualcosa oltre un risultato nullo. L'unico modo per sapere è guardare.

Starts With A Bang è ora su Forbes e ripubblicato su Medium grazie ai nostri sostenitori di Patreon. Ethan ha scritto due libri, Beyond The Galaxy e Treknology: The Science of Star Trek da Tricorders a Warp Drive.