Das CROWS-Experiment zur Entdeckung hypothetischer Ultraleichtpartikel ergab ein negatives Ergebnis • Igor Ivanov • Science News zu "Elementen" • Physik

Das CROWS-Experiment zur Suche nach hypothetischen ultraleichten Teilchen ergab ein negatives Ergebnis.

Abb. 1. Schlüsselkomponenten der CROWS-Installation: Stehwellenresonator (1) und eine von elektromagnetischen Wellen abgeschirmte Detektorkammer (2). Bild aus dem Artikel in der Diskussion Phys. Rev. D

Am CERN wurde das CROWS-Experiment abgeschlossen, um nach sogenannten "Flüstern" zu suchen – hypothetischen ultraleichten und sehr schwach wechselwirkenden Teilchen außerhalb des Standardmodells. Wie frühere Experimente zeigten CROWS ein negatives Ergebnis und schlossen damit ein weiteres Parameterfeld in den Modellen der Neuen Physik. Im Allgemeinen erlauben solche Experimente, die neuen Facetten unserer Welt zu erforschen und somit die Experimente bei sehr hohen Energien zu ergänzen.

Teilchenphysik kleiner als ein Elektronenvolt

Moderne Experimente in der Elementarteilchenphysik werden im Massenbereich bis zum Teraelektrovolt (TeV) und höher durchgeführt. Viele Physiker warten irgendwo auf uns, um die ersten Manifestationen der Physik jenseits des Standardmodells zu finden. Aber neben diesen TeVal-Massen und -Energien gibt es noch eine weitere Skala, die auch Wissenschaftler auf der Suche nach Neuer Physik auf sich aufmerksam macht – diese Massen sind kleiner als ein Elektronenvolt.

Zuallererst leben Neutrinos hier. Die genauen Neutrinomassen sind noch nicht bekannt, aber ihr Unterschied liegt im Bereich von Millielektronenvolt (meV; nicht zu verwechseln mit MeV – megaelektrische Volt).Da die Neutrinomassen eine solche sind, muss es einen Mechanismus in der Theorie der Teilchenwechselwirkungen geben, der diesen Maßstab aus irgendeinem Grund bevorzugt. Und das kann im Prinzip bedeuten, dass es hier "Leben" gibt und einige andere Teilchen, die für die direkte Beobachtung noch unsichtbarer sind als das Neutrino.

Zweitens zeigt die berühmte kosmologische Konstante, wenn sie in Energieeinheiten umgewandelt wird, auch eine Region von Massen in der Größenordnung von meV an. Wie man diese Zahl in einem solchen Kontext interpretiert, ist nicht ganz klar, aber es lohnt sich nicht, diesen möglichen Hinweis auf die Natur einfach zu verwerfen.

Drittens gibt es in den verschiedenen Theorien der Neuen Physik ultraleichte Teilchen anderer Natur. Dies sind zum Beispiel Axionen (hypothetische Skalarteilchen, die erklären, warum sich die CP-Verletzung nicht in einer starken Wechselwirkung manifestiert) oder ultraleichte Gravitino-Phänomene, die manchmal in Theorien der Supergravitation auftauchen. Schließlich sind in letzter Zeit solche Modelle der Neuen Physik populär, in denen dunkle Materie nicht nur eine Art von Teilchen ist, sondern eine ganze "dunkle Welt", in der neue "dunkle Kräfte" zwischen Teilchen wirken.Diese neuen Kräfte, für die die gewöhnliche Materie unempfindlich ist, können sich als weitreichend erweisen und dann die Trägerpartikel, die für sie verantwortlich sind – die üblicherweise genannt werden dunkle Photonen – wird sehr leicht sein, mit Massen in Millionen oder Mikroelektrovolten oder sogar weniger.

Alle diese unähnlichen Teilchen haben gemeinsame Eigenschaften: kleine Massen und sehr schwache (aber nicht Null!) Wechselwirkung mit gewöhnlicher Materie oder Strahlung. Daher sind sie oft durch einen gemeinsamen Begriff vereint. Strähnen, von der englischen Abkürzung WISPs, schwach wechselwirkende Sub-eV-Partikel, schwach wechselwirkende Sub-Elektron-Partikel-Partikel (es gibt eine Parallele zu WIMPs, WIMPs, schwach wechselwirkenden massiven Partikeln). Eine detaillierte Übersicht über Modelle mit Vispami finden Sie in einem aktuellen Artikel arXiv: 1311.0029.

Schwache Effekte durch Vispis können in speziellen, eher exotischen Experimenten versucht werden (siehe Beispiele unten). Da solche Teilchen deutlich über das Standardmodell hinausgehen, können sie einen Hinweis auf den Ursprung der Dunklen Materie liefern. Natürlich gibt es keine Garantie, dass Experimente zur Suche nach solchen neuen Effekten ein positives Ergebnis liefern. Aber bisher gab es keine positiven Ergebnisse bei der Suche nach neuer Physik sowohl bei Beschleunigern als auch bei der direkten Suche nach Dunkler Materie.Daher ist es sinnvoll, solche Experimente durchzuführen, insbesondere wenn sie keine zu großen finanziellen Investitionen erfordern. Eine der Aufgaben der Experimentalphysik besteht letztlich darin, alle Eigenschaften unserer Welt zu überprüfen, zu denen diese experimentelle Physik gelangen kann.

Ähnliche Experimente wurden vor nicht allzu langer Zeit in verschiedenen Laboratorien der Welt durchgeführt, aber mehr als ein Dutzend von ihnen wurden bereits durchgeführt (siehe auch die Übersicht im Artikel arXiv: 1311.0029). CERN beteiligt sich auch an dieser Aktivität, wo das improvisierte Solar-Axion-Teleskop CAST seit etwa zehn Jahren in Betrieb ist. Darüber hinaus wurde 2013 ein neues, rein labortechnisches Experiment CROWS (kurz für CERN Resonant WISP Search) lanciert.

Im Rahmen dieses Experiments wurde im Sommer und Herbst dieses Jahres eine Reihe von Suchaktionen nach Spionen durchgeführt, deren Ergebnisse kürzlich veröffentlicht wurden. Mit Blick auf die Zukunft werden wir sagen, dass diese Suchanfragen, wie frühere Experimente, auch negative Ergebnisse ergaben – sonst wäre diese Nachricht in einem ganz anderen Ton geschrieben worden. Und wie immer in solchen Fällen erlaubten uns diese negativen Ergebnisse, einen weiteren Teil des zuvor zugänglichen Bereichs von Modellparametern zu schließen. Dieses und andere solcher Experimente (bis jetzt) ​​haben keine revolutionären Konsequenzen, aber sie bieten eine bequeme Entschuldigung, um über diese nicht standardisierten Methoden des Studiums der Mikrowelt zu erzählen,die in den Werkzeugen der modernen Physik erscheinen.

"Laser durch die Wand gleiten"

Die Suche nach Axionen und "dunklen Photonen" wird in zwei Gruppen unterteilt: direkte und indirekte. Wie bei der Suche nach dunkler Materie sind indirekte Suchen Versuche, die Auswirkungen dieser Teilchen auf astrophysikalische Beobachtungen zu erkennen, und direkte Versuche sind Experimente, die direkt im Labor durchgeführt werden. Das CROWS-Experiment, auf das in dieser Anmerkung Bezug genommen wird, bezieht sich auf direkte Suchvorgänge.

Selbst wenn die Visps gute Kandidaten für dunkle Materie sind, wird es extrem schwierig sein, sie nach dem gleichen Prinzip zu registrieren, auf dem schwere dunkle Materie wegen der unbedeutenden Energiefreisetzung gesucht wird. Daher sehen die Experimente hier ein wenig anders aus. Anstatt nach kosmischen Strähnen zu suchen, versuchen Wissenschaftler direkt bekommenund dann im Labor entdeckt. Es kann gesagt werden, dass der Zweck solcher Experimente eher darin besteht, die Existenz von Spucken in der Natur zu beweisen, und die Frage ist, wie zweitrangig sie zur dunklen Materie sind.

Wie kann vispa in einem Labor erstellt und registriert werden? Nur aufgrund ihrer sehr schwachen Wechselwirkung mit Photonen.Aufgrund dieser Wechselwirkung können Visp und gewöhnliche Photonen manchmal ineinander übergehen (entweder unabhängig oder unter bestimmten äußeren Bedingungen), was bedeutet, dass Sie in optischen Experimenten versuchen können, Visp zu finden.

Zum Beispiel ist im Fall von Axionen die Idee des Nachweises wie folgt. Ein starker Laserstrahl fliegt im Vakuum durch eine Region mit einem starken Magnetfeld (Abb. 2). In der klassischen Physik würde dieses externe Magnetfeld den Laserstrahl in keiner Weise beeinflussen. Nehmen wir jedoch an, dass Axionen existieren und leicht mit Photonen interagieren, dann wird ein Prozess möglich, bei dem ein Laserphoton in einem Magnetfeld in eine Axion (der Primakov-Effekt) umgewandelt wird. Natürlich ist die Wahrscheinlichkeit für diesen Prozess z eins das Photon ist sehr klein, aber wenn es viele davon im Laserstrahl gibt, dann können wir auf eine Art "Axionfluss" hoffen, der im Laserstrahl in einem Bereich mit einem Magnetfeld auftritt.

Abb. 2 Die Idee von Experimenten zur Suche nach Axionen nach der Methode "Glühen durch die Wand": Der Laserstrahl durchläuft eine Region mit einem Magnetfeld, und gelegentlich verwandeln sich Photonen (γ) in Axionen (a). Dann liegt der Laserstrahl an der Wand, aber die Axionen gehen ruhig hindurch.Im zweiten Abschnitt mit einem Magnetfeld können die Axionen bereits in Photonen zurückverwandelt werden, die vom Detektor aufgenommen werden. Bild von R. Essig et al. Dunkle Sektoren und neue, leichte, schwach gekoppelte Teilchen

Dann steht eine undurchsichtige Wand im Strahlengang des Laserstrahls. Alle Photonen werden absorbiert, aber die Axionen fliegen weiter, ohne die Wand zu bemerken – einfach deshalb, weil sie nicht mit gewöhnlicher Materie interagieren. Direkt hinter der Wand befindet sich wieder eine Region mit einem starken Magnetfeld, und in dieser Region hat eine der Axionen die Chance, wieder ein Photon zu werden – und das Photon hat genau die gleiche Frequenz.

So sieht das Schema des Experiments so aus: In einem Magnetfeld errichten wir eine völlig unbestimmte Wand und strahlen einen starken Laserstrahl hinein. Hinter der Wand befindet sich ein Photonendetektor und versucht zumindest etwas zu fangen. Wenn die Abschirmung vom ursprünglichen Laserlicht gut ist und andere technische Details ausreichend berücksichtigt werden, spricht schon ein schwaches, aber zuverlässig registriertes Detektorsignal für die Existenz von Axionen. Um nach dunklen Photonen zu suchen, ist dieses Schema sogar etwas vereinfacht. Die Umwandlung in dunkle Photonen und zurück kann spontan ohne externe Hilfe erfolgen, so dass es nicht notwendig ist, die gesamte Installation in einem starken Feld zu platzieren.Für alle solche Experimente in der wissenschaftlichen Literatur klebte lustig, aber fairer Name "Light Shining through Wall", also Experimente zum "Glühen durch die Wand".

Experiment KRÄUCHE

Ein kürzliches CROWS-Experiment am CERN hat dieses Standardschema leicht modifiziert, wodurch eine höhere Empfindlichkeit erreicht werden konnte (Abb. 3). Erstens wird hier anstelle von Laserlicht Mikrowellenstrahlung verwendet. Wenn dunkle Photonen hell sind, ist es ihnen egal, welche der Photonen sich bilden – von optischen oder Mikrowellen. Aber mit der gleichen Strahlungsleistung von Mikrowellen werden Photonen sein mehrals optisch, weil die Energie jedes einzelnen Mikrowellenphotons tausende Male weniger ist.

Abb. 3 Das allgemeine Schema des Experiments kräht. Bild aus dem Artikel in der Diskussion Phys. Rev. D

Natürlich muss man bei Mikrowellen noch vorsichtiger sein als bei optischer Strahlung. Vorsichtig in dem Sinne, dass Mikrowellen aufgrund der längeren Wellenlängen Hindernisse leicht behindern, tiefer in Materie eindringen und leichter von Metallgegenständen reflektiert werden können. Daher wird eine einfache Wand auf dem Weg des Mikrowellenstrahls nicht austreten. Stattdessen wird das Detektionsgerät in einer hermetisch abgeschlossenen Kammer untergebracht, die so weit wie möglich von externen elektromagnetischen Feldern abgeschirmt ist (siehe Abb. 1).Hervorzuheben ist, dass man sich nicht nur vor der Strahlung des Resonators selbst schützen muss, sondern auch vor den zahlreichen Quellen von Gigahertzwellen, mit denen der "Äther" in unserer Zeit gefüllt ist. Aus diesem Grund wird zusätzlich zu der in Abb. 1 wurde die gesamte Anlage zusammen mit externen Magneten, die ein starkes Magnetfeld erzeugten, von einer anderen elektromagnetischen Abschirmung umgeben. Schließlich wurde auch die Übertragung von Daten von dem Sensor zu dem Analysator und dem Digitalisierer des Signals nicht ignoriert. Es wurde nicht durch Metallkoaxialleitungen, sondern durch Faser durchgeführt; Somit wurde die letzte Möglichkeit für Mikrowellenstrahlung, in das abgeschirmte Volumen zu "lecken" oder anderweitig die erfassten Daten zu beeinflussen, abgeschnitten.

Solche Vorkehrungen wurden wegen einer Zecke überhaupt getroffen. Es ist nützlich, sich an die Geschichte zu erinnern, die bereits jetzt mit dem sensationellen Ergebnis des PVLAS-Experiments vergessen wurde, dessen Ursache, wie sich einige Jahre später herausstellte, die parasitären elektromagnetischen Felder waren, die in die Aufnahmekammer "kroch".

Zweitens befinden sich die beiden Schlüsselkomponenten der CROWS – der Emitter und der Detektor – innerhalb der Mikrowellenresonatoren (die Achtecke in Abb. 3).Es sind zwei geschlossene zylindrische Kupferkammern von etwa 10 mal 15 cm Größe, die ebenfalls am CERN hergestellt werden und Mikrowellen effektiv reflektieren und dadurch in der Kammer halten. Der Resonator ist insofern praktisch, als er es Ihnen ermöglicht, eine Welle zu pumpen, Photonen zu akkumulieren, sie nicht sofort wegfliegen zu lassen. Der Resonator zwingt das Photon dazu, mehr Versuche zu machen, sich in Strähnen zu verwandeln, und erhöht auch die Wahrscheinlichkeit, dass Vists wieder in Photonen umgewandelt werden.

Schließlich besteht bei solchen Experimenten immer die Gefahr, den Effekt aufgrund eines instrumentellen Defekts nicht zu sehen. Um dieses lästige Versehen zu vermeiden, lieferten die Experimentatoren ein Testsignal. Direkt in dieselbe Kamera, in der der Sensor installiert ist, brachten sie eine einfache Antenne und emittierten während der gesamten Sitzung eine sehr schwache Welle mit einer Frequenz, die sich geringfügig von der gewünschten Resonanzfrequenz unterscheidet – nur um die gewünschte Strahlung nicht zu blockieren.

Ergebnisse der Krähen

Als Teil des CROWS-Experiments wurden mehrere Sitzungen von 10 bis 30 Stunden Dauerbetrieb durchgeführt. Während dieser ganzen Zeit wurden Messungen von dem empfindlichen Sensor der elektromagnetischen Felder innerhalb der abgeschirmten Zone vorgenommen.Natürlich hat jeder Detektor unvermeidbare interne Geräusche, daher kann man sagen, dass Physiker buchstäblich mehrere Stunden lang Detektorgeräusche aufgezeichnet haben. Eine derart lange Abfolge von Ablesungen ermöglichte es jedoch, mit einer sehr hohen Genauigkeit eine spektrale Analyse dieser Geräusche durchzuführen und genau die Resonanzfrequenz auszuwählen, mit der der Emitter außerhalb der Kammer arbeitete.

Ein typischer Graph der spektralen Dichte des Sensors ist in Abb. 4. Auf der linken Seite ist eine allgemeine Ansicht der spektralen Dichte in der Nähe der Resonanzfrequenz, in der Mitte – ein enger Frequenzbereich in der Nähe der Frequenz des Testsignals, auf der rechten Seite – ein enger Bereich in der Nähe der Resonanzfrequenz. Das Testsignal ist trotz seiner Schwäche sichtbar, was auf den zuverlässigen Betrieb des gesamten Aufnahme- und Analysesystems hindeutet, aber bei der Resonanzfrequenz ist nichts sichtbar. Dies bedeutet, dass trotz aller Bemühungen in diesem Experiment keine Whispers registriert wurden.

Abb. 4 Spektrale Leistungsdichte gemäß den Sensorwerten, die während einer zehnstündigen Sitzung aufgezeichnet wurden. Auf der linken Seite: eine Gesamtansicht der spektralen Dichte im Bereich von plus oder minus 1 kHz von der Mittenfrequenz 1739990400 Hz; Die Positionen der Frequenz des Testsignals und der Resonanzfrequenz sind als bezeichnet ftesten und fsys. Dieses Spektrum wird auch in einem engen Bereich von ± 0,7 MHz nahe der Frequenz des Testsignals gezeigt (im Zentrum) und in der Nähe der Resonanzfrequenz (auf der rechten Seite). Bild aus dem Artikel in der Diskussion Phys. Rev. D

In diesen trockenen Zahlen und langweiligen Zeitplänen sind einige beeindruckende technische Fortschritte. Beachten Sie zuerst die Skala der Frequenzen. Die Resonanzfrequenz der Welle betrug ungefähr 1,7 GHz (die genaue Anzahl ist in den Graphen gezeigt), und die spektrale Dichte wurde in Inkrementen von 30 Mikro-Hertz (!) Gemessen, dh zehn Billionen mal weniger als die Trägerfrequenz. Selbst bei einem so kleinen Diskretisierungsschritt wird das Spektrum nicht "verschmiert": das Rauschen ist immer noch reines Rauschen und das Testsignal ist ein schmaler Peak mit einer Breite von einem Punkt.

Zweitens, achten Sie auf den Maßstab der vertikalen Skala (es ist auf der linken Seite angegeben). Typische Leistungsspektrumwerte sind -220 dBm. Dieser Standard für die funktechnische Maßeinheit zeigt, wie stark die registrierte Leistung unter dem Referenzwert von 1 Milliwatt liegt; -220 dBm bedeutet "22 Größenordnungen weniger als 1 mW", dh es ist eine spektrale Leistung von etwa 10-25 W. In diesem Fall betrug die Leistung der Mikrowellenstrahlung, die in den Resonator gepumpt wurde, in den beschriebenen Experimenten etwa 40 W.Somit haben Experimente gezeigt, dass, selbst wenn Mikrowellenstrahlung aufgrund eines Mechanismus in eine geschlossene Kammer eindringt, die Effizienz dieser Leckage 10 nicht übersteigt-26.

Weiter wird dieser Wert in der Grenze der Größe der Verbindung zwischen Photonen und Vispami neu berechnet und in der Grafik dargestellt. In Abb. 5 zeigt dieses Ergebnis für Theorien mit dunklen Photonen. Eine Vielzahl von Graubereichen entspricht früheren Experimenten, und das Ergebnis von CROWS ist blau dargestellt. Die höchste Empfindlichkeit wurde bei einer hypothetischen dunklen Photonenmasse von etwa 11 μeV erreicht, was in etwa der Energie eines einzelnen Mikrowellenphotons entspricht. Hier verbesserten CROWS das Ergebnis früherer Experimente fast um eine Größenordnung.

Abb. 5 Die Bereiche von zwei Parametern hypothetischer dunkler Photonen, geschlossen in verschiedenen Experimenten: ihre Masse, ausgedrückt in Elektronenvolt, und der Mischparameter χ, der die Verbindung zwischen ihnen und gewöhnlichen Photonen charakterisiert. Das vom neuen CROWS-Experiment abgedeckte Gebiet wird gezeigt in blau. Bild aus dem Artikel in der Diskussion Phys. Rev. D

Für Axionen war die von CROWS erhaltene Einschränkung nicht so signifikant; dort ist es noch einigen anderen Experimenten unterlegen,insbesondere das CERN-Experiment CAST. Unter allen reinen Laborinstallationen ist CROWS jedoch zu einem Rekordhalter in Sachen Sensibilität geworden.

Die Autoren merken an, dass dieses Experiment noch Raum zum Wachsen hat. Es ist möglich, Datenaufzeichnungssitzungen noch mehr zu verlängern, die Strahlungsfrequenz zu reduzieren (durch Erhöhung der Photonenkonzentration), die Länge des Resonators zu erhöhen (die Wahrscheinlichkeit der Photon-zu-Vis-Umwandlung zu erhöhen) und schließlich den Wert des Magnetfeldes zu erhöhen (bisher wurde ein 3 Tesla supraleitender Magnet verwendet) war Teil einer konventionellen MRT-Einheit und wurde an der Universität Genf gemietet). All dies wird dieses Experiment für hypothetische Vispam, besonders für Axionen, noch sensibler machen.

Quelle: M. Betz et al. Erste Ergebnisse der CERN Resonant Weakly Interacting Sub-eV Teilchensuche (CROWS) // Phys. Rev. D 88, 075014 (2013); Der Artikel ist als E-Print verfügbar arXiv: 1310.8098.

Siehe auch:
1) R. Essig et al. Dunkle Sektoren und neue, leichte, schwach gekoppelte Teilchen // e-print arXiv: 1311.0029 [hep-ph], Bericht vorbereitet für das Snowmass-2013 Treffen.
2) J. Jaeckel, A. Ringwald. Die Niedrigenergiegrenze der Teilchenphysik // Ann. Rev. Nucl. Teil. 60, 405 (2010); Die Überprüfung ist als E-Print verfügbar arXiv: 1002.0329.
3) ultraleichte Teilchen der dunklen Materie, das Problem der "Elemente".

Igor Iwanow


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