Прямой метод. - Поиски Темной материи
Методы прямого детектирования основаны на поиске упругого (или неупругого) рассеяния WIMPs на ядрах детектора-мишени. Ядра отдачи передают приобретенную в результате такого взаимодействия энергию через ионизацию и тепловые (фононные) процессы. Современные методы регистрации энергии ядер отдачи основаны на использовании традиционных сцинтилляционных, полупроводниковых и газовых детекторов, а также новых болометрических (низкотемпературных) детекторов и детекторов на основе сверхпроводящих микрогранул и перегретых капель.
Энергетические потери нейтралино с массами от 10 ГэВ до 1ТэВ в таких детекторах будут не более 100 кэВ, а скорость счета на 1 кг детектора - пропорциональна потоку нейтралино, падающему на детектор, и сечению их упругого рассеяния на ядрах.
Теоретические оценки дают очень малые значения для величины сечения, поэтому ожидается очень низкая скорость счета -- от 10-1 до 10-5 отсчетов/кг в день. Это значительно усложняет задачу экспериментального поиска частиц и требует применения детекторов с большой массой, низким порогом регистрации и очень низким собственным фоном.
При постановке эксперимента также необходимо знать функцию отклика детектора на взаимодействие с частицами Темной Материи, или энергетический спектр ядер отдачи.
В Гран-Сассо Национальной лаборатории в Италии, проводится эксперимент XENON.
Эксперимент XENON100 предназначен для поиска WIMPs именно таким способом - детектор представляет собой емкость, заполненную жидким ксеноном, масса которого составляет 161 килограмм. Емкость находится под землей на глубине 1,4 километра - такое расположение позволяет исключить попадание на детектор множества посторонних частиц. Если WIMP оказывается в емкости с ксеноном, то он, с высокой вероятностью, может столкнуться с одним из его атомов, породив вспышку света.
Авторы новой работы анализировали данные, собранные с января по июнь 2010 года - в общей сложности физики учли 100,9 дней работы детектора. За это время было обнаружено три подозрительных события, два из которых оказались шумом (теоретические выкладки предсказывали, что за изученный период должно было накопиться от 1,2 до 2,4 фоновых события). Высокий уровень шума, как выяснилось недавно, связан с наличием примесей криптона-85 в ксеноне внутри детектора.
Отрицательный результат устанавливает новые пределы для энергии и массы частиц темной материи. Наиболее реакционноспособными считаются тяжелые WIMPs, и их отсутствие в эксперименте XENON100 снижает вероятность существования таких тяжелых частиц. В настоящее время физики анализируют вопрос о том, хватит ли чувствительности детектора для регистрации более легких частиц темной материи.
Хотя эксперимент не обнаружил WIMP, прогресс создает условия для амбициозного проекта следующего поколения называется XENON1T, который будет использовать гораздо больше, одну тонну жидкого ксенона инструмент с узкоспециализированными световыми детекторами разработан в Калифорнийском университете, которые делают его в 100 раз более чувствительным, чем XENON100, сказал Дэвид Клайн, профессор физики Калифорнийского университета.
Примеры ожидаемых спектров при регистрации WIMPs с различными массами приведены на рис. 8 , где также показан экспериментальный фоновый спектр полупроводникового германиевого детектора. Фоновый спектр детектора при низких энергиях, как правило, обусловлен шумами электронной аппаратуры, радиоактивным излучением изотопов, содержащихся в детекторе и окружающих материалах, а также проникающими даже на большую глубину космическими лучами. Видно, что ожидаемые спектры ядер отдачи и фоновый спектр имеют примерно одинаковую экспоненциально спадающую форму, что сильно затрудняет задачу выделения полезного сигнала.
Рис. 8. Теоретические спектры ядер отдачи при регистрации WIMPs с различными массами при помощи полупроводникового германиевого детектора и экспериментальный фоновый спектр детектора
Для уверенной регистрации необходимо использовать дополнительные признаки событий, связанные именно с частицами Темной Материи, например зависимость дифференциальной скорости счета от времени из-за эффекта годовых модуляций.
Этот эффект -- следствие сложения скоростей налетающих на Землю частиц со скоростью Земли: комбинация движения Солнца (вокруг центра Галактики) через галактическое Темное гало и вращения Земли вокруг Солнца будет разной для различных времен года.
Максимум скорости счета ожидается 2 июня, когда Земля движется против потока частиц, а минимум -- ровно через полгода, когда Земля "убегает" от них, рис. 9.
Рис.9. Схема движения Солнца и Земли относительно потока частиц галактического гало, иллюстрирующая эффект годовой модуляции
Предсказываемая величина сезонного изменения всего 5%, так что обнаружить эффект нелегко, тем более он в значительной степени может быть затенен сезонными вариациями собственного фона детектора за счет различных внешних факторов. Тем не менее недавно коллаборация DAMA декларировала обнаружение годовых модуляций WIMPs, которые интерпретируются как результат упругого рассеяния нейтралино с массой около 60 ГэВ и сечением порядка 7-10-42 см2 (рис. 10 и 12).
Рис. 10. Результаты эксперимента DAMA по поиску годовых модуляций WIMPs
Скорость счета NaI детекторов в интервале низких энергий в различные времена года приведена в зависимости от текущего времени начиная с 1 января первого года измерений. Вертикальными пунктирными линиями отмечены полугодовые периоды, соответствующие ожидаемым минимумам и максимумам сезонной вариации скорости счета WIMPs.
Эксперимент проводится с использованием сцинтилляционных NaI детекторов общим весом около 100 кг в подземной лаборатории Гран-Сассо. Это первый положительный результат поиска частиц Темной Материи. Результаты другой коллаборации CDMS2 -- эксперимент проводился на дне 700-метровой Суданской шахты в американском штате Миннесота, с использованием низкотемпературных германиевых и кремниевых детекторов. По итогам очистки данных было зарегистрировано два события (5 августа и 27 октября 2007 года). Но два события -- слишком крохотная статистика, чтобы делать какой-либо уверенный вывод. Поэтому для окончательного вывода о регистрации WIMPs с такими характеристиками требуются дополнительные эксперименты. Кроме эксперимента CDMS сейчас ближе всех по чувствительности к результату DAMA подошли эксперимент IGEX-DM, проводимый одновременно в подземных лабораториях Баксан (Россия) и Канфранк (Испания), и эксперимент "Гейдельберг--Москва" в лаборатории Гран-Сассо. В обоих случаях используются полупроводниковые детекторы из сверхчистого германия общей массой порядка 10 кг.
Детектор CoGeNT, возможно, обнаружил следы темной материи.
Выступая на собрании Американского физического общества, представитель коллаборации CoGeNT Хуан Коллар представил новые экспериментальные данные, которые, возможно, содержат следы частиц темной материи.
В первых результатах работы CoGeNT ученые сообщали о найденных свидетельствах воздействия на вещество детектора WIMPs -- основных кандидатов на роль компонентов темной материи. Если предположить, что эти выводы верны, то WIMPs должны иметь небольшую массу, около 10 ГэВ; примерно такие же значения получили сотрудники коллаборации DAMA/LIBRA, заявившие о регистрации темной материи еще в 2008 году.
Единственная проблема заключается в том, что существование легких WIMPs не подтверждается другими экспериментами. Область масс, на которую указывают CoGeNT и DAMA/LIBRA, была исключена по данным с ксенонового детектора XENON100, да и участникам проекта CDMS обнаружить легкие WIMPs не удалось. Последний факт особенно важен, поскольку установки CDMS и CoGeNT используют одно и то же детекторное вещество (германий) и расположены рядом, в подземной лаборатории на территории штата Миннесота. Очень сложно придумать такую модель, в которой темная материя взаимодействовала бы с неким материалом в одном опыте, но не проявляла бы себя в аналогичном эксперименте.
Впрочем, упомянутые выше результаты CoGeNT относились всего к 56 дням работы детектора. Сейчас физики работали с бoльшим объемом информации, собранной за 442 дня.
На таком временном отрезке можно применять методику поиска, которая принесла результат в случае DAMA/LIBRA. Этот способ не требует тщательного исследования зарегистрированных событий, проводимого коллаборациями XENON и CDMS; достаточно просто отмечать все взаимодействия определенного типа в объеме детектора, не задумываясь о том, связаны они с вимпами или нет. Критерием обнаружения темной материи становится появление сезонных вариаций в набранной последовательности сигналов.
И 4 мая 2011 года обработав данные(собранной за 442 дня )физики обнаружили сезонные изменения частоты регистрации событий, что можно объяснить действием -- WIMPs частиц темной материи.
Похожие статьи
-
Новые эксперименты в Баксанской обсерватории - Поиски Темной материи
В подземной низкофоновой лаборатории Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН проводится долговременный эксперимент в рамках Международного...
-
Как поймать частицы Темной Материи, Косвенный метод. - Поиски Темной материи
Поиск частиц темной материи ведется по всему миру на многих установках. Интересно отметить, что нейтралинная гипотеза допускает независимую проверку как...
-
Что представляют из себя частицы Темной материи - Поиски Темной материи
Ясно, что эти частицы не должны распадаться на другие, более легкие частицы, иначе бы они распались за время существования Вселенной. Сам этот факт...
-
Введение, Темная Материя во Вселенной - Поиски Темной материи
Мы стоим на пороге открытия, способного изменить суть наших представлений о Мире. Речь идет о природе темной материи. Из анализа многих экспериментальных...
-
Что такое Темная Материя - Поиски Темной материи
Темная материя, или скрытая масса - это гипотетическая субстанция, которая участвует в гравитационном и не участвует в электромагнитном взаимодействии...
-
Темная материя. Темная энергия - Еще раз о Мироустройстве
Вопрос несоответствия общей суммарной массы вещественной материи во Вселенной давно озадачивал ученых астрофизиков. Ведь если учитывать во Вселенной...
-
Выводы, Список литературы - Поиски Темной материи
1. Таким образом, из экспериментальных данных можно сделать вывод о существовании так называемой темной материи. 2. Темная материя ? гипотетическая...
-
Лекция о Темной Материи в изложении Моргана Фридмана - Еще раз о Мироустройстве
Кажется, сколько можно говорить на тему, которая никак пока не проясняет сути вещей, поскольку все фундаментальные знания в астрофизике не дают четкой...
-
Успех мероприятий по борьбе с загрязнением определяется количеством микроорганизмов, особенно бактериальных спор, оставшихся внутри и на поверхности...
-
Как уже говорилось, наиболее сильным доказательством присутствия жизни на планете будет, конечно, рост и развитие живых существ. Поэтому, когда...
-
Методы обнаружения внеземной жизни - Поиск и исследование внеземных форм жизни
Как уже говорилось, наиболее сильным доказательством присутствия жизни на планете будет, конечно, рост и развитие живых существ. Поэтому, когда...
-
В настоящее время разработано много методов снижения уровня микробного загрязнения космического аппарата и его элементов. Хотя они и не идеальны,...
-
Выполнение задач карантинных мероприятий возможно при осуществлении мер, принятых для контроля за уровнем загрязнения космического аппарата и при...
-
Методы контроля за обсемененностью - Поиск и исследование внеземных форм жизни
Выполнение задач карантинных мероприятий возможно при осуществлении мер, принятых для контроля за уровнем загрязнения космического аппарата и при...
-
Рассмотрению подобных сложнейших вопросов уже посвящено в этих книгах множество разделов. Они, безусловно, относятся к фундаментальному знанию, без...
-
Диффузная (светлая) туманность, Темная туманность - Газопылевые комплексы. Межзвездная среда
Диффузная (светлая) туманность -- в астрономии, общий термин, используемый для обозначения излучающих свет туманностей. Три типа диффузных туманностей --...
-
Поиски черных дыр - Понятие о черной дыре
Расчеты в рамках ОТО указывают лишь на возможность существования черных дыр, но отнюдь не доказывают их наличия в реальном мире, открытие черной дыры...
-
Заключение - Исследование Луны космическими методами: прошлое, настоящее и будущее
Планируемые космические эксперименты на Луне. В результате полета Климентины и Лунного Разведчика получен огромный банк данных о геометрической и...
-
Гравитационное взаимодействие доминирует среди всех остальных взаимодействий на очень больших масштабах пространства-времени, сравнимых с...
-
Важным аспектом проблемы внеземной жизни является необходимость внешнего притока энергии для ее развития. Солнечный свет, главным образом в...
-
ЯЗЫК БРАТЬЕВ ПО РАЗУМУ - Поиски жизни в Солнечной системе
Разум вселенная планета внеземной Попытки наладить радиоконтакт с братьями по разуму продолжаются уже около 40 лет. И давно стало ясно, что главной...
-
Выводы - Поиск и исследование внеземных форм жизни. Планетарный карантин, необходимый при этом
Поиск чужеродных форм вне Земли имеет большое значение для разработки фундаментальных проблем, связанных с выяснением происхождения и сущности жизни. При...
-
Основы изучения Черных дыр, Методы обнаружения Черных дыр - Черные дыры
Методы обнаружения Черных дыр Как известно, "черные дыры" нельзя обнаружить непосредственными наблюдениями -- их существование устанавливается по тому...
-
Тел и метод численного интегрирования - Теория свободного полета в полях тяготения
Пассивное движение космического аппарата в мировом пр-ве происходит в основном под действием сил притяжений небесных тел - Земли, Луны, Солнца, планет....
-
В заключение главы приведем один из наиболее ярких примеров поиска внеземных форм жизни. В 1976 г. НАСА в США проведен запуск двух автоматических...
-
ПОИСКИ ЖИЗНИ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ - Поиски жизни в Солнечной системе
ЛУНА -- единственное небесное тело, где смогли побывать земляне и грунт которого подробно исследован в лаборатории. Никаких следов органической жизни на...
-
Поиск внеземных цивилизаций во Вселенной - Проблема множественности разумных миров и изучение НЛО
Все сведения о космических объектах приносят на Землю различные излучения - электромагнитные волны и потоки частиц. В ХХ в. родилась радиоволновая...
-
Наблюдаемыми объектами радиоинтерферометрической сети являются естественные и искусственные космические радиоисточники. Научные задачи подразумевают...
-
Основные характеристики и эволюция звезд
В результате огромной работы, проделанной астрономами ряда стран в течение последних десятилетий, мы многое узнали о различных характеристиках звезд,...
-
Метод дистанционного зондирования Земли: характеристики и достоинства Существует несколько видов съемки, использующих специфические свойства излучений с...
-
Среди множества моделей Луны большинство ученых склонялись к выводу, что этот спутник представляет из себя застывшую в далеком прошлом "мертвую" планету....
-
СВЯЗЬ С ВНЕЗЕМНЫМИ ЦИВИЛИЗАЦИЯМИ - Поиски жизни в Солнечной системе
Для беспроводной связи на земле в основном используют радио. Поэтому главные усилия сейчас направлены на поиски сигналов внеземных цивилизаций (ВЦ) в...
-
ПОИСК ВНЕЗЕМНЫХ ЦИВИЛИЗАЦИЙ - Поиски жизни в Солнечной системе
Как найти братьев по разуму? Стратегия поиска зависит от того, как люди представляют себе возможности и желания этих самых братьев. Можно разделить такие...
-
ЗАРОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ НА ПЛАНЕТАХ - Поиски жизни в Солнечной системе
В конце 50-х гг. XX столетия американские биофизики Стэнли Миллер, Хуан Оро, Лесли Оргел в лабораторных условиях имитировали первичную атмосферу планет...
-
С группой кратеров Архимед, Аристилл и Автолик на границе Моря Дождей и Моря Ясности связана одно из знаменательных событий отечественной космонавтики....
-
Звезды Галактики - Размеры и структура нашей Галактики
Вращение звезд Галактики не подчиняется и закону Ньютона. Этот необъяснимый факт привел к новым удивительным открытиям, связанным с понятием темной...
-
В настоящее время Луна стала объектом многих космических экспериментов и фокусом внимания ведущих специалистов в области астрономии и планетологии. Очень...
-
Трактат о бесконечности Материи
Известные законы Материи нужно дополнить еще одним может быть главнейшим - законом бесконечности Материи. Материя (все, что имеет вес, объем и прочие...
-
Уравнения гравитационного поля Эйнштейна имеют вид [4-8]: (1) - тензор Риччи, метрический тензор и тензор энергии-импульса; - космологическая постоянная...
-
Будем рассматривать эволюцию звезд в рамках модифицированной теории Эйнштейна [23-24]. Уравнения гравитационного поля Эйнштейна имеют вид: (24) - тензор...
Прямой метод. - Поиски Темной материи