Credit imagine: Fermilab
Cu primele date de la observatorul lor subteran din Minnesotaul de Nord, oamenii de știință ai căutării criogenice a materiei întunecate au privit cu o sensibilitate mai mare ca niciodată pe tărâmul suspectat al WIMPS. Privirea particulelor masive cu interacțiune slabă ar putea rezolva dubla mister a materiei întunecate pe scala cosmică și a supersimetriei pe scară subatomică.
Rezultatul CDMS II, descris într-o lucrare trimisă la Physical Review Letters, arată cu 90% procent de certitudine că rata de interacțiune a unui WIMP cu masa 60 GeV trebuie să fie mai mică de 4 x 10-43 cm2 sau aproximativ o interacțiune la fiecare 25 de zile pe kilogram de germaniu, materialul din detectorul experimentului. Acest rezultat spune cercetătorilor mai multe decât au știut până acum despre WIMPS, dacă există. Măsurătorile detectoarelor CDMS II sunt de cel puțin patru ori mai sensibile decât cele mai bune măsurători anterioare oferite de experimentul EDELWEISS, un experiment subteran european, în apropiere de Grenoble, Franța.
„Gândiți-vă la această sensibilitate îmbunătățită ca la un nou telescop cu dublul diametrului și, de aceea, de patru ori mai mult de colecția de lumină a oricărui lucru care a venit înainte”, a declarat reprezentantul CDMS II Blas Cabrera, de la Universitatea Stanford. „Acum suntem capabili să căutăm un semnal care este doar o pătrime la fel de luminos ca orice am văzut până acum. În următorii câțiva ani, ne așteptăm să ne îmbunătățim sensibilitatea cu un factor de 20 sau mai mult. ”
Rezultatele sunt prezentate la Reuniunea din aprilie a American Physical Society din 3 și 4 mai la Denver de Harry Nelson și studentul absolvent Joel Sanders, ambele de la Universitatea California-Santa Barbara, și de Gensheng Wang și Sharmila Kamat de la Case Western Rezerva Universitatea.
„Știm că nici Modelul nostru standard de fizică a particulelor și nici modelul nostru de cosmos nu este complet”, a declarat purtătorul de cuvânt al CDMS II, Bernard Sadoulet, de la Universitatea din California din Berkeley. „Această piesă lipsă special pare să se potrivească ambelor puzzle-uri. Vedem aceeași formă din două direcții diferite. ”
WIMP-urile, care nu percep nicio taxă, sunt un studiu în contradicții. În timp ce fizicienii se așteaptă să aibă de aproximativ 100 de ori masa protonilor, natura lor fantomatică le permite să alunece prin materia obișnuită, lăsând abia urmă. Termenul „interacționează slab” se referă la cantitatea de energie depusă atunci când interacționează cu materia normală, ci mai degrabă la faptul că interacționează extrem de rar. De fapt, sute de miliarde de WIMP-uri ar fi putut să curgă prin corpul tău în timp ce citești primele câteva fraze.
Cu 48 de oameni de știință din 13 instituții, la care se adaugă alți 28 de angajați, tehnici și administrativi, CDMS II operează cu finanțare de la Oficiul Științei al Departamentului de Energie al S.U.A., de la diviziunile de astronomie și fizică ale Fundației Naționale a Științei și de la instituțiile membre. Laboratorul Național de Accelerare Fermi al DOE oferă managementul de proiect pentru CDMS II.
„Natura materiei întunecate este fundamentală pentru înțelegerea formării și evoluției universului”, a spus Dr. Raymond L. Orbach, directorul Oficiului pentru Știință al DOE. „Acest experiment nu ar fi reușit fără colaborarea activă a Oficiului Științei DOE și a Fundației Naționale a Științei.”
Michael Turner, asistent director pentru Matematică și Științe Fizice la NSF, a descris identificarea elementului constitutiv al materiei întunecate drept una dintre marile provocări atât în astrofizică cât și în fizica particulelor.
„Materia întunecată reunește toate structurile din univers - inclusiv propria noastră Calea Lactee - și încă nu știm din ce este făcută materia întunecată”, a spus Turner. „Ipoteza de lucru este că este o nouă formă de materie, care, dacă este corect, va arunca lumină asupra funcționării interioare a forțelor și particulelor elementare. Urmărind soluția la acest puzzle important, CDMS este acum în fruntea pachetului, cu încă un factor de 20 în sensibilitate încă de venit. "
Materia întunecată din univers este detectată prin efectele sale gravitaționale pe toate scalele cosmice, de la creșterea structurii din universul timpuriu la stabilitatea galaxiilor de astăzi. Datele cosmologice din multe surse confirmă faptul că această materie întunecată nevăzută însumează de peste șapte ori cantitatea de materie vizibilă obișnuită care formează stelele, planetele și alte obiecte din univers.
„Ceva de acolo a format galaxii și le ține împreună astăzi, și nici nu emite și nici nu absoarbe lumină”, a spus Cabrera. „Masa stelelor dintr-o galaxie este doar 10 la sută din masa întregii galaxii, astfel încât stelele sunt ca niște lumini de copac de Crăciun care decorează camera de zi a unei case mari întunecate.”
Fizicienii cred, de asemenea, că WIMP-urile ar putea fi particulele subatomice încă neobservate numite neutralinos. Acestea ar fi dovezi pentru teoria suprasimetriei, introducând o fizică nouă intrigantă, dincolo de modelul standard de astăzi de particule și forțe fundamentale.
Supersimetria prezice că fiecare particulă cunoscută are un partener supersimetric cu proprietăți complementare, deși niciunul dintre acești parteneri nu a fost încă observat. Cu toate acestea, multe modele de supersimetrie prezic că cea mai ușoară particulă supersimetrică, numită neutralino, are o masă de aproximativ 100 de ori mai mare decât cea a protonului.
„Teoreticienii au venit cu toți acești așa-numiții„ parteneri supersimetrici ”ai particulelor cunoscute pentru a explica problemele pe cele mai mici scale de distanță”, a spus Dan Akerib, de la Universitatea Case Western Reserve. „Într-una dintre acele conexiuni fascinante ale celor foarte mari și foarte mici, cea mai ușoară dintre aceste superparteneri ar putea fi piesa lipsă a puzzle-ului pentru a explica ceea ce observăm pe cele mai mari scale de distanță.”
Echipa CDMS II practică „astronomia subterană”, cu detectoare de particule situate la aproape o jumătate de mile sub suprafața pământului într-o fostă mină de fier din Soudan, Minnesota. Cele 2.341 de metri din scoarța pământului protejează razele cosmice și particulele de fundal pe care le produc. Detectoarele sunt fabricate din germaniu și siliciu, cristale semiconductoare cu proprietăți similare. Detectoarele sunt răcite la o zecime dintr-un grad de zero absolut, atât de rece încât mișcarea moleculară devine neglijabilă. Detectoarele măsoară simultan sarcina și vibrațiile produse de interacțiunile de particule din cristale. WIMPS își va semnaliza prezența eliberând mai puțină încărcare decât alte particule pentru aceeași cantitate de vibrații.
"Detectoarele noastre acționează ca un telescop echipat cu filtre care permit astronomilor să distingă o culoare a luminii de alta", a declarat managerul de proiect CDMS II, Dan Bauer, de la Fermilab. „Doar, în cazul nostru, încercăm să filtrăm particulele convenționale în favoarea WIMPS-ului cu materie întunecată.”
Fizicianul Earl Peterson de la Universitatea Minnesota supraveghează laboratorul subteran Soudan, de asemenea, acasă la experimentul cu neutrinele de bază ale lui Fermilab, căutarea principală a oscilației cu neutrinele injectoarelor.
"Sunt încântat de noul rezultat semnificativ din CDMS II și felicit colaborarea", a spus Peterson. „Sunt încântat că facilitățile Laboratorului Soudan au contribuit la succesul CDMS II. Și sunt deosebit de mulțumit că activitatea Fermilab și a Universității din Minnesota în extinderea laboratorului Soudan a dus la o fizică superbă. ”
Pe măsură ce CDSMII caută WIMP-uri în următorii câțiva ani, fie materia întunecată a universului nostru va fi descoperită, fie o gamă largă de modele supersimetrice vor fi excluse din posibilitate. Oricum ar fi, experimentul CDMS II va juca un rol major în avansarea înțelegerii noastre asupra fizicii particulelor și a cosmosului.
Instituțiile colaboratoare CDMS II includ Universitatea Brown, Universitatea Case Western Reserve, Fermi National Accelerator Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, National Institutes of Standards and Technology, Princeton University, Santa Clara University, Stanford University, University of California-Berkeley, Universitatea din California-Santa Barbara, Universitatea din Colorado la Denver, Universitatea din Florida și Universitatea din Minnesota.
Fermilab este un laborator național DOE Office of Science, operat sub contract de Universities Research Association, Inc.
Sursa originală: Comunicat de presă Fermilab
