Noi date din experimentul CoGeNT încă indică înregistrarea particulelor de materie întunecată • Igor Ivanov • Știință științifică despre "Elemente" • Fizică, astrofizică

Noile date din experimentul CoGeNT indică în continuare înregistrarea particulelor de materie întunecată

Fig. 1. Detectorul CoGeNT înconjurat de blocuri de ecranare de plumb din primul nivel. În ciuda dimensiunii sale modeste, este, de asemenea, un jucător important în căutarea materiei întunecate din cauza sensibilității sale la eliberarea redusă de energie și la erori reduse. Imagine de la cogent.pnnl.gov

Colaborarea CoGeNT – una dintre puținele observații posibile despre particulele de materie întunecată raportată anterior, și-a actualizat rezultatele pe baza statisticilor acumulate pe parcursul a trei ani de activitate. Datele noi indică în continuare excesul de semnal pe fundal în zona dorită, precum și caracteristica sezonieră caracteristică a particulelor de materie întunecată este încă observată. Articolul descrie, de asemenea, modul de reconciliere a rezultatelor a trei experimente între ele cu rezultate pozitive.

Căutarea particulelor de materie întunecată rămâne una dintre cele mai acute probleme la intersecția dintre fizica microcosmosului și astrofizică. Datele observaționale indică faptul că ar trebui să existe materia întunecată, că ar trebui să "explodeze" sub forma unui vânt perpetuu și prin Pământ, dar nu există dovezi în favoarea înscrierii sale, ceea ce ar convinge toți specialiștii.În întreaga lume, câteva zeci de experimente sunt desfășurate sau sunt pregătite pentru lansare, care încearcă să înregistreze efectul acestor particule de masă necunoscută și natură necunoscută. În fiecare an apar mesaje noi din diferite grupuri: unii dintre ei raportează văzând un semnal pozitiv, alții spun că nu există așa ceva (vezi, de exemplu, știrile noastre recente.) Experimentul LUX nu a detectat încă particule de materie întunecată, Elements, 31.10. 2013, iar experimentul CROWS privind găsirea de particule ultra-ușoare ipotetice a dat un rezultat negativ, "Elements", 11/06/2013). Nu este posibilă coordonarea acestor mesaje între ele. Această situație, desigur, nu este satisfăcătoare și poate confunda cu ușurință o persoană care este familiarizată cu subiectul, dar aceasta este astăzi realitatea. Fizicienii pot face numai experimente noi, își pot spori sensibilitatea, căuta noi surse de eroare și pot găsi tehnici suplimentare de analiză și interpretare a rezultatelor.

Cu câteva zile în urmă, un nou articol din experimentul CoGeNT a apărut în arhiva tipăriturilor electronice – unul din cele patru experimente pentru căutarea particulelor de materie întunecată, raportând rezultate pozitive (figura 1).Dacă mai devreme colaborarea a utilizat statistici acumulate în primele 15 luni ale detectorului, acum statisticile acoperă mai mult de trei ani de muncă continuă. Concluzii Colaborarea nu s-au schimbat: semnalul este încă prezent în datele despre aceeași putere și în aceeași zonă, modularea semnalului de sezon se observă precum și înainte, orice savant bine-cunoscut de surse de eroare, aceste date este imposibil să scrie off. Interpretarea în ceea ce privește particulele de materie întunecată indică o gamă de masă de 7-8 GeV. În ciuda tuturor acestor lucruri, noile date nu sunt încă convingătoare de majoritatea experților.

În primul rând, câteva cuvinte ar trebui să fie dedicate tehnologiei utilizate în detectorul CoGeNT pentru înregistrarea evenimentelor și separarea potențialilor candidați interesați de fundal. Spre deosebire de detectoarele moderne de xenon lichid, în care volumul de lucru se apropie deja de o tonă, CoGeNT funcționează cu cristale de germaniu cu o masă de numai jumătate de kilogram. Cu toate acestea, proiectarea electrică bizară a dispozitivului, împreună cu metoda de prelucrare a datelor, ne permite să facem ceea ce marea majoritate a altor detectoare nu poate face pentru a înregistra o eliberare de energie foarte scăzută.În CoGeNT, pragul de eliberare a energiei, pornind de la care detectorul distinge un eveniment de un zgomot, este de numai 0,4 keV față de mai mulți keV în alți detectori. Aceasta este o valoare foarte importantă, deoarece particulele luminoase ale materiei întunecate, când se ciocnesc cu nucleele materiei, transferă foarte puțină energie către ele. Observarea evenimentelor "extra" aparține exact domeniului de eliberare redusă a energiei, sub 2 keV, unde nu există alte erori instrumentale cunoscute oamenilor de știință.

Din punct de vedere tehnic, elementele de detectare CoGeNT sunt realizate sub forma unui condensator cilindric semiconductor. Tensiunea aplicată contactelor din el, un câmp electric apare în detector, iar dacă o particulă de materie întunecată bate mai mulți electroni, ei se vor aduna la unul din contacte și vor da o intensitate electronică de citire (a se vedea problema cu detectorul de fotoni pe un subiect conex). Caracteristica de proiectare a acestui detector este că un electrod este imens – ocupă aproape toată suprafața cilindrică, iar al doilea este mic, sub forma unui contact aproape de punct în centrul capătului (figura 2).

Fig. 2. Detector prototip timpuriu pentru experimentul CoGeNT. Întreaga suprafață a cilindrului este un electrod, iar fața mică din centrul feței de capăt conține un altul. Imagine de la kicp.uchicago.edu

Un alt punct important este capacitatea de a separa evenimentele interne și de suprafață (figura 3). Dacă eliberarea de energie a avut loc în apropierea suprafeței detectorului, atunci o parte a încărcăturii ar putea pur și simplu să nu intre în detector. Din acest motiv, detectorul ar fi putut să-l fi înregistrat un eveniment cu eliberare redusă de energie (candidat pentru particule de materie întunecată), deși eliberarea totală a energiei a fost mare. Dacă energia este eliberată în profunzimea volumului de lucru, atunci puteți fi sigur că energia colectată este foarte mică.

Fig. 3. Separarea evenimentelor de eliberare a energiei în apropierea suprafeței detectorului și a volumului acestuia este posibilă datorită formei diferite de impulsuri electrice la citirea sarcinii colectate: evenimentele de suprafață sunt mai fluide, iar cele în vrac sunt mai abrupte

Detectorul CoGeNT nu poate urmări direct unde este exact centrul de eliberare a energiei, dar poate măsura forma semnalului electric care a venit la electrozi. Se pare că semnalele generate de eliberarea de energie internă și de suprafață arată foarte diferit (semnalul "rapid" pentru evenimentul surround, semnalul "lent" pentru cel de suprafață), ceea ce face posibilă separarea acestor două tipuri cu un procent foarte mic de fals pozitive.

Vom trage acum la rezultatele experimentului CoGeNT.Primul raport al unui rezultat pozitiv se referă la anul 2010. Apoi colaborarea a observat că printre toate datele, regiunea celei mai mici emisii de energie se evidențiază – sub 2 keV. Dacă în toate celelalte tipuri de energie numărul de evenimente corespunde pe deplin vârfului și vârfurilor înguste care corespund decăderilor cunoscute ale elementelor radioactive, atunci, după scăderea evenimentelor de fond, sa observat clar o creștere constantă către energii mai joase (figura 4). Un astfel de semnal este destul de așteptat de la particule ușoare moderate de materie întunecată. Majoritatea evenimentelor cauzate de astfel de particule ar fi condus la o eliberare de energie foarte mică, sub pragul de sensibilitate, dar "coada" distribuției vitezei acestor particule ar fi generat forma curbei observate. Comparația a arătat că datele sunt cel mai bine compatibile cu o masă de 7-8 GeV.

Fig. 4. Creșterea numărului de evenimente din regiunea cu consum redus de energie din datele CoGeNT. diagramă cu bare – acumulate până în 2011 curbe în zona 1-1,5 keV sunt contribuțiile izotopilor radioactivi. insera arată rezultatul scăderii acestor contribuții de fond din date, diferite curbe pe această insetă, sunt îndeplinite ipotezele privind particulele de materie întunecată de diferite mase.Imagine de la articolul arXiv: 1106.0650

Apoi, în 2011, experimentul CoGeNT a descoperit un alt efect important – modularea sezonieră a numărului de evenimente. Este demn de remarcat faptul că efectul sa manifestat tocmai în datele cu consum redus de energie. Cu toate acestea, semnificația statistică a semnalului a fost scăzută, iar datele au acoperit numai 15 luni de muncă, dar acesta a fost cel de-al doilea (după DAMA / Libra) raport privind observarea acestui efect.

17 martie 2011 în mina "Sudan" (a se vedea Soudan Mine) a existat un incendiu, din cauza căruia experimentul a fost forțat să se lase în gol timp de trei luni. Testele au arătat că incidentul nu a afectat performanța detectorului, iar vara setul de date a fost reluat. Ca urmare, până la sfârșitul anului 2013, fizicienii aveau la dispoziție statistici care să acopere trei ani întregi de muncă. Acest lucru ne-a permis să construim chiar și perioade mai lungi de timp.sNu verificați secvența dacă frecvența sezonieră se manifestă în acestea.

Într-un articol nou, rapoartele de colaborare arată că modularea este încă prezentă (Figura 5). Ca și înainte, doar datele privind evenimentele cu consum redus de energie au fost expuse fluctuațiilor anuale și numai pentru evenimentele care au avut loc în volumul detectorului și nu pe suprafață.Toate acestea constituie un argument în favoarea faptului că este imposibil să se elimine orice efect rezidual al condițiilor climatice externe sau din alte motive similare. Într-adevăr, semnificația statistică a variației anuale este foarte mică, doar 2.2 sigma, care nu atinge chiar nivelul de "trei sigma", pentru care fizicienii încep să ia efectul în serios. Cu toate acestea, această variație nu se schimbă odată cu timpul, deci se poate spera că, după câțiva ani, semnificația statistică va crește la un nivel interesant.

Fig. 5. Numărul de evenimente din datele CoGeNT care corespund unei eliberări de energie de 0,5-2 keV în volumul detectorului. Statisticile sunt afișate pentru tot timpul de la lansarea experimentului în decembrie 2009. Bandă gri – experiment simplu forțat datorită unui incendiu din mină. Datele arată modularea sezonieră cu o perioadă de aproximativ un an, arătată linie ondulată. Săgeți verticale notează momentele maxime ale statisticii din experimentul DAMA / Balanță. Imagine din articolul în discuție

Colaborarea cu articolul CoGeNT conține un alt detaliu interesant. De obicei acele experimente de căutare a materiei întunecate care raportează rezultate pozitiveAcestea sunt criticate pe baza faptului că în toate acestea sunt obținute ușor diferite valori de masă și secțiune transversală pentru particulele de materie întunecată. Dacă semnalul lor ar fi un adevărat indiciu al materiei întunecate, ei ar trebui să dea, în mod eronat, aceeași valoare. Cu toate acestea, datorită faptului că diferitele experimente utilizează substanțe diferite și au praguri diferite de răspuns, dezacordul dintre acestea nu este atât de universal. Articolul CoGeNT oferă o analiză a acestor date în cadrul diferitelor modele de distribuție a materiei întunecate în Galaxie și arată că există și o opțiune în care trei experimente cu rezultate pozitive (DAMA, CoGeNT, CDMS) sunt de acord între ele (figura 6). Da, desigur, rămâne problema de a înțelege ultimele rezultate negative ale experimentului LUX în lumina acestui lucru, dar cel puțin acest punct de critică se dovedește a fi în sine incontestabil.

Fig. 6. Domeniile parametrilor de masă și secțiune transversală pentru interacțiunea particulelor de materie întunecată, care sunt indicate prin patru experimente cu rezultate pozitive. În cadrul anumitor modele de distribuție a particulelor de materie întunecată, trei rezultate pot fi coordonate între ele.Totuși, aceste valori încă se încadrează în regiunea închisă prin experimentele XENON100 și LUX. Imagine din articolul în discuție

Cu toate acestea, noile date nu schimbă starea de spirit generală în acest domeniu al fizicii. Majoritatea experților consideră că argumentele "împotriva" depășesc până acum profesioniștii. Așteptările de aici sunt asociate în principal cu noi experimente pentru căutarea particulelor de materie întunecată și sunt deja pe drum. De exemplu, să spunem că la doar câteva zile după articolul CoGeNT, primele rezultate ale experimentului DM-Ice17 au fost publicate în arhiva de e-print. Acesta este un detector de iodură de sodiu instalat la Polul Sud și înghețat în gheața Antarcticii, la o adâncime de doi kilometri, în mijlocul instalării pe scară a kilometrului a IceCube. DM-Ice17 nu a detectat încă semnale suspecte, dar a lucrat timp de doi ani, nu numai de la civilizație, ci și de la cercetătorii înșiși. Deci, poate fi considerat primul semn al experimentelor viitoare de a căuta materia întunecată în grosimea gheții din Antarctica. În general, în următorii câțiva ani, ne putem aștepta la câteva noi rezultate interesante din instalațiile unei noi generații.Timpul va arăta ce vor arăta și dacă vor ajuta să înțeleagă rezultatele pozitive cunoscute astăzi.

Sursa: CoGeNT Colaborare. CoGeNT Dark Data Detector / E-Print arXiv: 1401.3295 [Astro-ph.CO].

Vezi și:
Vântul din materia întunecată, se pare, încă suflă la pământ, "Kompyulenta", 01.21.2014.

Igor Ivanov


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: :???: :?: :!: