Detector de particule de materie întunecată • Igor Ivanov • Lucrări științifice populare pe "Elemente" • Fizică

Detector de particule de materie usoară

Există o cantitate mare de date astrofizice, care indică faptul că, în plus față de stele, planete, nori de gaz și praf, găuri negre, etc., există multă materie întunecată în Univers. Această substanță nu este vizibilă în niciun fel de unde electromagnetice, este dispersată în spațiu și afectează în mod gravitar mișcarea stelelor numai pe scale galactice. Se presupune că această problemă constă în particule de un fel nou, iar aceste particule interacționează cu materia obișnuită extrem de slab. O dată vom spune că nici masa particulelor de materie întunecată, nici probabilitatea lor de coliziune cu nucleele materiei sunt cunoscute în avans. Se consideră însă cunoscută densitatea materiei întunecate în cartierul galactic al sistemului solar (aproximativ 10-21 kg / m3) și faptul că particulele de materie întunecată au o distribuție termică aproximativă cu viteze tipice de 100-200 km / s.

Fig. 1. Particulele de materie întunecată, care străpung detectorul, se ciocnesc ocazional cu nucleele substanței active și le transferă o parte din energia lor. Această energie datorată cascadei proceselor secundare este eliberată în detector și poate fi înregistrată de către senzori. Fig. autorul sarcinii

Sistemul solar, care se deplasează de-a lungul traiectoriei sale galactice, simte constant "vântul de cap" al particulelor de materie întunecată. Datorită slăbiciunii interacțiunii, acest vânt suflă prin soare și planete și numai ocazional particulele de materie întunecată se împiedică de materia obișnuită. Dacă astfel de coliziuni rar, dar încă apar, devine posibilă înregistrarea directă a particulelor de materie întunecată (vezi figura 1). Pentru a face acest lucru, într-o mină subterană, puteți instala un recipient etanșat ermetic cu substanța de lucru, care, împreună cu Pământul, va simți, de asemenea, un miros de "vânt al materiei întunecate". Atunci când o particulă de materie întunecată se ciocnește cu nucleul substanței și se revigorează elastic din ea, va transfera o anumită energie substanței și senzorii instalați în interiorul vasului vor putea captura astfel de eliberare de energie.

În cazul ideal, un singur eveniment este suficient pentru a anunța înregistrarea particulelor de materie întunecată. În realitate, totuși, există întotdeauna un fond rezidual din razele cosmice și din impuritățile izotopilor radioactivi într-o varietate de materiale, care ocazional vor produce alarme false ale senzorilor.Prin urmare, dacă particulele de materie întunecată se ciocnesc cu substanța detectorului prea rar, acest proces nu poate fi separat de fundal. În plus, senzorii înșiși au un anumit prag de sensibilitate: nu sunt capabili să observe eliberarea de energie mai mică decât o anumită valoare. Prin urmare, limita realizabilă a sensibilității acestor experimente este prezentată în formă sensibilitate graficăcare arată la ce probabilitate de coliziune detectorul va fi capabil să coboare în cazul în care una sau altă masă de particule de materie întunecată

sarcină

Aflați, particulele a căror masă va fi cel mai sensibil detector al materiei întunecate, cu o substanță de lucru din xenon lichid. Trageți a o vedere tipică a graficului de sensibilitate al unui astfel de detector (sensibilitate limitată în funcție de masa particulelor de materie întunecată).


ajutor

Fig. 2. Coliziunea elastică a particulelor în mișcare și de repaus. Fig. autorul sarcinii

Lucru neobișnuit cu privire la această problemă este că trebuie să realizăm mai întâi ce valoare este necesară pentru a găsi și cum să o conectăm cu valorile cunoscute. Pentru a face acest lucru, sarcina poate fi împărțită în mai multe etape. Prima etapă este problema exactă a coliziunii elastice a două corpuri (figura 2).Lăsați nucleul de odihnă al masei m o particulă de materie întunecată lovește masa M și viteza fixă v1 (vitezele termice inițiale ale nucleelor ​​sunt mult mai mici v1prin urmare, le neglijăm). După impact, nucleul zboară la o anumită viteză și sub un anumit unghi (să o numim β) la direcția inițială de mișcare a particulei. Este necesar să aflați ce energie va primi miezul în funcție de unghiul β.

La a doua etapă, este necesar să înțelegem cum această energie și frecvența coliziunilor depind de masa particulei de materie întunecată. Apoi, se poate găsi dependența eliberării de energie în detector pe unitatea de timp (și nu pentru o singură coliziune), după care ar trebui să devină clar modul în care limita sensibilității detectorului depinde de masa particulelor.


decizie

Mai întâi rezolvăm problema coliziunii a două particule. valoare m, M, v1considerată a fi cunoscută, unghiul de plecare al nucleului β este un parametru al problemei și, în funcție de aceasta, este necesar să se găsească viteza finală u2 particule de masă m. Pentru a face acest lucru, scrie legea conservării energiei:

și legea conservării impulsului de-a lungul a două axe:

Acest sistem de ecuații poate fi rezolvat prin eliminarea mai întâi a unghiului αși apoi viteza v2. Răspunsul la viteza și energia nucleului este:

Dependența eliberării de energie asupra masei particulelor incidente este cuprinsă în multiplicator. M2/(m + M)2. Dacă o particulă de materie întunecată este prea ușoară, mult mai ușoară decât nucleul, atunci va transfera nucleului doar o mică parte a energiei sale (același efect a fost întâlnit și în problema electronilor fierbinți). Dacă această energie este sub pragul de sensibilitate al senzorului, detectorul nu va observa pur și simplu rezultatul unei astfel de coliziuni. În cazul opus, dacă particulele de materie întunecată sunt mult mai grele decât nucleul, eliberarea de energie ajunge la o constantă și încetează să depindă de masa particulei (vezi fig.3, stânga).

M/m; linia roșie arată pragul de senzitivitate al senzorilor. Dreapta: eliberarea energiei în detector pe unitate de timp. Fig. autor al sarcinii "border = 0>Fig. 3. Eliberarea energiei într-o coliziune, în funcție de masa particulei de materie întunecată. În stânga: energia nucleară într-o singură coliziune în funcție de raportul de masăM/m; linia roșie arată pragul de sensibilitate al senzorilor. În dreapta: eliberarea energiei în detector pe unitate de timp. Fig. autorul sarcinii

Acum descoperim cum frecvența evenimentelor depinde de masa particulelor de materie întunecată, toate celelalte lucruri fiind egale.Din datele astrofizice, densitatea materiei întunecate în vecinătatea sistemului solar este aproximativ cunoscută. Dacă materia întunecată constă din particule cu masă Mapoi lor concentrare invers proporțional cu masa particulei. Aceasta înseamnă că, cu cât particulele sunt mai grele, cu atât mai puțin zboară prin detector și, prin urmare, cu atât mai puține ori – toate lucrurile fiind egale – vor avea loc coliziuni. Apoi eliberarea de energie în detector pe unitate de timp va fi proporțională cu eliberarea de energie într-o singură coliziune înmulțită cu frecvența de coliziune: dE/dt ~ M/(M + m)2.

Fig. 4. Graficul sensibilității detectorului de materie întunecată pe plan (masa particulelor de materie întunecată, probabilitatea interacțiunii cu substanța detectorului). Zona umbroasă arată valorile parametrilor la care detectorul poate detecta un semnal din particule de materie întunecată. Fig. știri autor

Diagrama acestei dependențe este prezentată în Fig. 3, pe dreapta. Aceasta arată că un detector cu o substanță activă fixă ​​va fi cel mai sensibil la particulele de materie întunecată, cu o masă egală cu masa nucleelor ​​substanței (în exemplul nostru masa de nuclee xenon, care este de aproximativ 120 GeV).Substanțele particule întunecate cu particule întunecate vor conduce la eliberarea foarte slabă a energiei și particulele foarte grele se vor ciocni atât de rar încât semnalul din ele va fi dificil de separat de procesele de fond. Prin urmare, graficul de sensibilitate al detectorului are o vedere caracteristică prezentată în Fig. 4.

Cu o masă optimă de particule de materie întunecată, detectorul va putea înregistra coliziuni, chiar dacă probabilitatea ca fiecare particulă care trece prin detector să fie foarte mică (P0). Pentru particulele foarte grele, această probabilitate ar trebui să fie aproximativ M / m ori mai mult P0: Nu este suficientă particule grele, dar dacă crește probabilitatea coliziunii unei particule, atunci detectorul poate înregistra și astfel de particule. În cazul particulelor foarte ușoare cu o distribuție a vitezei termice, majoritatea covârșitoare a acestora produc prea puțină energie. Numai particulele foarte rare obțin o viteză semnificativ mai mare decât media și sunt deja capabile să declanșeze un senzor. Pentru ca acest lucru să se întâmple în timpul funcționării detectorului, este necesar ca probabilitatea unei coliziuni pentru fiecare particulă să fie, de asemenea, semnificativ mai mare. P0.


postfață

În ultimul deceniu, au fost lansate mai mult de o duzină de experimente pe termen lung în căutarea particulelor de materie întunecată. Nu există o observație clară a particulelor de materie întunecată, dar pe măsură ce timpul de așteptare se acumulează, și datorită progresului în metodele de curățare a materialelor și îmbunătățirea senzorilor, sensibilitatea detectorilor crește treptat. Mai mult, deja două experimente – DAMA / LIBRA și CoGeNT – au raportat observarea unui semnal care poate fi interpretat ca o manifestare a particulelor de materie întunecată. Adevărat, majoritatea experților sunt sceptici față de aceste date: în primul rând, ele sunt inconsistente unele cu altele și contrazic câteva alte experimente și, în al doilea rând, defectele neînregistrate ale instalațiilor nu pot fi totuși eliminate.

Fig. 5. Căutarea directă a particulelor de materie întunecată începând cu anul 2011. Curbele de culoare arată zonele excluse după rezultatele negative ale diferiților detectoare de materii întunecate (cea care se află deasupra curbelor este închisă). Zonele galbene corespund valorilor maselor și secțiunilor transversale ale particulelor de materie întunecată, care rezultă din rezultatele detectorului DAMA / LIBRA. diferit nuanțe de gri Sunt prezentate predicțiile teoretice ale unor modele. Imagine de la articolul E.Figueroa-Feliciano. Căutări directe de detecție pentru materia întunecată WIMP // Prog. Partea. Nuci. Phys. 661 (2011) 661-673

În fig. 5 arată doar graficul de sensibilitate despre care a fost discutată problema. Aici, totuși, axa y nu este probabilitatea ca aceasta să fie amânată, ci secțiunea de coliziune, care, cu alți parametri fixați, este aceeași. Linii diferite marchează pragurile de sensibilitate ale detectorilor reali. Galbenul prezintă zonele parametrilor de particule ale materiei închise, presupunând că detectorul DAMA / LIBRA le-a înregistrat efectiv; este clar că aceste zone sunt considerate închise în alte experimente. Zonele gri din partea inferioară a graficului arată acele așteptări ale maselor și secțiunilor transversale pentru interacțiunea particulelor de materie întunecată care apar în unele modele de fizică particule elementare în afara modelului standard, în special în teoriile supersimetrice. Se poate observa că detectorii moderni ai particulelor de materie întunecată s-au apropiat deja de această zonă.


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: