Das DAMA-Experiment "sieht" weiterhin Teilchen der Dunklen Materie • Igor Ivanov • Science News zu "Elementen" • Physik

Das DAMA-Experiment „sieht“ weiterhin dunkle Materiepartikel.

Schematische Schnittdarstellung des DAMA / LIBRA-Detektors mit seiner Multilayer-Abschirmung (Bild aus dem besprochenen Artikel Das DAMA / LIBRA-Gerät)

Das italienische Experiment DAMA / LIBRA hat den Nachweis von Partikeln der Dunklen Materie angekündigt. Experten zweifeln nicht an den direkten experimentellen Daten, aber nicht alle stimmen ihrer Interpretation zu.

Vorgeschichte

Astrophysikalische Daten zeigen, dass die überwiegende Mehrheit der Materie im Universum in Form von dunkler Materie existiert. Es wird "dunkel" genannt, weil es weder in Radiowellen noch in Wärmestrahlung, noch im optischen, ultravioletten oder Röntgenbereich "sichtbar" ist. Seine Anwesenheit ist nur durch einen Gravitationseffekt auf sichtbare Materie – interstellares Gas, Sterne, Galaxien – wahrnehmbar.

Woraus genau Dunkle Materie besteht, ist noch nicht bekannt, aber Astrophysiker neigen dazu zu glauben, dass ihre Hauptkomponente eine Art von schweren Teilchen ist, die sehr schwach mit gewöhnlicher Materie, den Wimps, interagieren (aus dem englischen Wort WIMP). schwach wechselwirkende massive Teilchen). Sie bilden eine riesige Wolke um jede Galaxie, einschließlich unserer Milchstraße. Das Sonnensystem, das sich in seiner galaktischen Umlaufbahn durch WIMP Gas bewegt, sollte einen Gegenwind "vimpovy breeze" fühlen,und da sich die Erde zusätzlich noch immer um die Sonne bewegt, werden wir auf der Erde einen etwas stärkeren, dann einen schwächeren Gegenstrom von WIMPs mit einem Zeitraum von einem Jahr spüren.

Wimps müssen sehr schwach mit gewöhnlicher Materie interagieren, so dass die meisten von ihnen die Erde ungehindert passieren können. Gelegentlich kollidieren Wimps jedoch immer noch mit Atomkernen tief im Kern einer Substanz, übertragen einen Teil ihres Impulses an sie und stoßen manchmal gleichzeitig Elektronen aus und verursachen Lichtblitze. Die Häufigkeit solcher Kollisionen hängt von der Anzahl der Wimps ab, die durch die Erde fliegen. Wenn sich die Erde also durch den galaktischen Halo bewegt, wird sie entweder zunehmen oder abnehmen.

Die Bewegung der Sonne relativ zum galaktischen Halo und die Bewegung der Erde relativ zur Sonne führen dazu, dass die Geschwindigkeit der Erdbewegung am 2. Juni maximal ist und am 2. Dezember minimal ist (Bild aus dem Bericht der Autoren auf der NO-VE Konferenz am 16. April 2008)

Seit mehr als 10 Jahren haben sich die Teilnehmer des DAMA-Projekts auf solche jährlichen Schwankungen der Häufigkeit von Blitzen in einem vollständig abgeschirmten Detektor tief unter der Erde gejagt. Das Projekt besteht aus mehreren parallelen Experimenten, und in einem von ihnen, DAMA / NaI, wurden solche Oszillationen tatsächlich nachgewiesen.Der Bericht der Teilnehmer des von ihnen im Jahr 2000 durchgeführten Experiments zur direkten Erkennung von WIMPs wurde von der wissenschaftlichen Gemeinschaft jedoch mit großer Skepsis akzeptiert – die Datenfehler waren groß, und selbst die Interpretation schien vielen voreilig.

Das DAMA / NaI-Experiment wurde modernisiert und 2003 unter dem neuen Namen DAMA / LIBRA gestartet. Und kürzlich wurden die ersten Ergebnisse dieses Experiments auf der Konferenz Neutrino Oscillations in Venedig veröffentlicht und auch im Archiv der elektronischen Preprints veröffentlicht: Erste Ergebnisse von DAMA / LIBRA und die kombinierten Ergebnisse mit DAMA / NaI (die Ergebnisse selbst) Detektorbeschreibung). Neue Daten bestätigen vollständig die früheren Ergebnisse, aber sie haben die Skepsis der Kritiker nicht verringert.

Das Experiment und seine Ergebnisse

100 km von Rom entfernt, mitten im Zentrum des Gran Sasso, befindet sich das gleichnamige unterirdische Laboratorium des Italienischen Nationalen Instituts für Kernphysik (INFN). Aufgrund der natürlichen Abschirmung (eineinhalb Kilometer Felsen trennen ihn von der Oberfläche!) Ist der kosmische Strahlenfluss darin millionenmal geringer als auf der Erdoberfläche. Daher eignet es sich hervorragend für hochreine Experimente in der Teilchen- und Kernphysik.DAMA / LIBRA – eines von einem halben Dutzend gleichzeitig laufenden Experimenten.

In dem DAMA / LIBRA-Experiment wurden NaI (Tl) -Szintillatoren, die aus Natriumiodid (NaI) unter Zugabe von Thallium (Tl) als Aktivator bestanden, als Arbeitssubstanz ausgewählt. Jeder Szintillator ist ein Kristallstab mit einer Masse von etwa 10 kg, in dem ein VIMP bei Kollision mit einem Kern einer Substanz einen Lichtblitz erzeugen sollte. Dieses Licht wird von Photomultipliern aufgenommen, die an den Enden des Szintillators angebracht sind, und überträgt ein Signal an den Computer.

Falsche Auslöser können nicht nur durch kosmische Strahlen, sondern auch durch radioaktive Isotope in der Natur verursacht werden. Zur maximalen Isolierung des Detektors ist jeder Szintillationskristall in Kupferziegeln gepackt, und der Block mit diesen Steinen ist mit einer mehrlagigen Isolierung aus radio-reinen Materialien versiegelt. Die Eingeweide dieses Kastens wurden mit radio-reinem Stickstoff gespült, und die Hintergrundkonzentration der schwer fassbaren Isotope (zum Beispiel inertes Radongas) wurde in der Nähe der Einrichtung ständig überwacht. Schließlich war die Installationstemperatur konstant auf die nächsten Tausendstel Grad, und die Empfindlichkeit der Detektoren wurde regelmäßig durch Bestrahlung mit bekannten Radioisotopen überwacht.

Das DAMA / LIBRA-Experiment für mehr als vier Jahre hat tatsächlich nur die Anzahl und Energie von Szintillationsblitzen im Detektor gemessen. Im Durchschnitt gibt es 1-2 Blitze pro Tag pro Kilogramm Szintillatorgewicht und pro Kiloelektronenvolt Energie. Dieser Wert bleibt zeitlich konstant – mit Ausnahme des Niedrigenergiebereichs von 2-6 keV, wo nur einige Prozent der jährlichen Schwankungen beobachtet werden. Wenn wir ein konstantes Signal von allen Daten subtrahieren und nur die variable Komponente belassen, erhalten wir eine solche Grafik.

Die Häufigkeit des Betriebs von Detektoren im Laufe der Zeit im Energiebereich von 2-6 keV. Nur der variable Teil des Signals, der nach dem Subtrahieren des konstanten Hintergrunds übrig bleibt, wird gezeigt. Entlang der horizontalen Achse markierte den Tag seit Beginn des DAMA / NaI-Experiments; Die erste Hälfte des Graphen enthält die Ergebnisse des DAMA / NaI, und nach der Pause werden die DAMA / LIBRA-Daten gezeigt. Durchgezogene Linie zeigt am 2. Juni eine Sinusfunktion mit einer Periode von genau 1 Jahr und Maxima (Bild aus dem Artikel zur Diskussion Erste Ergebnisse von DAMA / LIBRA und die kombinierten Ergebnisse mit DAMA / NaI)

Es ist klar ersichtlich, wie die Genauigkeit der Daten nach dem Upgrade zugenommen hat. Wenn nach dem ersten oder zweiten Jahr des DAMA / NaI-Experiments noch Zweifel bestanden,Wenn dieses Signal keine zufällige Abweichung ist, dann wurde nach 10 jährlichen Zyklen klar, dass der variable Teil des Signals einem sinusförmigen Gesetz mit einer Periode von genau 1 Jahr und Maxima am 2. Juni folgt. In der trockenen Sprache der Statistik übersteigt die Signifikanz eines Signals 8 Standardabweichungen, dh die Wahrscheinlichkeit, dass diese Daten nur ein Glücksspiel sind, ist vernachlässigbar.

Das Experiment sieht also eine eindeutige Einjahresmodulation der Frequenz der Detektorreaktionen, und selbst Skeptiker argumentieren nicht mehr damit. Aber die Hauptfrage bleibt: Was ist der Grund für diese Modulation?

Interpretation der Ergebnisse

Es scheint, dass es für kleine saisonale Schwankungen jeder Größe viele natürliche Gründe gibt. Die Autoren gehen jedoch davon aus, dass die beobachteten Oszillationen aufgrund von Mehrebenenisolierung und ständiger Überwachung der Radioaktivitätsresistenz nicht durch "irdische" Prozesse erklärt werden können. Von hier aus folgt ihre Schlussfolgerung – diese Schwankungen sind das Ergebnis der saisonalen Abschwächung und Intensivierung des "vimpovoy wind".

Kann eine nicht aufgezeichnete Quelle noch zu einem ähnlichen Signal führen? Autoren sagendass eine solche Quelle ihnen unbekannt ist – zumindest für die ganze Zeit hat niemand einen anderen physikalischen Mechanismus vorgeschlagen, der alle drei Auswahlkriterien erfüllt:

  • das Signal sollte sich streng nach einem sinusförmigen Gesetz mit einer Periode von genau 1 Jahr und mit Maxima um den 2. Juni herum ändern;
  • das Signal sollte nur bei niedrigen Energien beobachtet werden;
  • das Signal sollte nur in Einzeldetektor-Ereignissen vorhanden sein (das heißt, es sollte keine Ereignisse geben, bei denen zwei oder mehr Kristalle gleichzeitig ausgelöst werden).

Alle anderen bekannten Quellen würden diese Bedingungen verletzen. Sagen wir, selbst wenn ein Strom von kosmischen Strahlen, die durch Detektoren brechen, in das Labor eindringen würde, würde er bemerkenswerte Veränderungen sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Energien erzeugen.

Was mögen Skeptiker nicht? Tatsache ist, dass ähnliche Experimente in anderen Laboratorien der Welt gemacht wurden, aber keine von ihnen verzeichnete jährliche Schwankungen. Zwar basierten einige Experimente auf verschiedenen Nachweismethoden, in anderen wurde nicht Natriumjodid verwendet, aber eine andere empfindliche Substanz, und wieder andere erreichten einfach nicht ihre Empfindlichkeit gegenüber DAMA / LIBRA.Nichtsdestoweniger neigen Experten dazu zu glauben, dass, wenn der Vimpy-Wind so stark wäre, wie die DAMA-Daten implizieren, einige der anderen Experimente – zum Beispiel ein sehr empfindliches CDMS-Experiment, das kürzlich ein negatives Ergebnis berichtete – ebenfalls Partikel bemerken würden dunkle Materie.

Was kann in dieser Situation getan werden? Zunächst müssen wir versuchen, ein unabhängiges Experiment in einem anderen Labor durchzuführen, aber mit demselben Szintillator und unter denselben Bedingungen. Zweitens wäre es sehr nützlich, nicht nur die Tatsache der Kollision der WIMP mit dem Kern zu registrieren, sondern auch die Richtung zu kennen, aus der die WIMP gekommen ist (siehe zum Beispiel die jüngsten Ergebnisse des japanischen NEWAGE-Detektors). Wenn sich herausstellt, dass die bevorzugte Ankunftsrichtung der Teilchen mit der Richtung der Sonnenbewegung durch den galaktischen Halo übereinstimmt, wird dies zu einem wichtigen Argument für die wimpe Interpretation des Signals – tatsächlich "fühlen" keine irdischen Phänomene diese Richtung! Drittens, wenn die Empfindlichkeit der Detektoren wiederholt verbessert wird, wird es möglich sein, zu fangen und Tagesgeld Schwankungen in der Frequenz der Blitze (schließlich dreht sich auch die Erde um ihre Achse).Wenn sie auch mit der erforderlichen Amplitude und Phase auftreten, kann dies auch ein Schlüsselargument für die Erkennung von Weichtieren sein.

Quellen:
1) R. Bernabei et al. Erste Ergebnisse von DAMA / LIBRA und die kombinierten Ergebnisse mit DAMA / NaI // Vordruck arXiv: 0804.2741 (17. April 2008).
2) R. Bernabei et al. Der DAMA / LIBRA-Apparat // Vordruck arXiv: 0804.2738 (17. April 2008).
3) R. Bernabei. Erste Ergebnisse von DAMA / LIBRA (PowerPoint-Datei, 13 Mb) – Bericht auf der Konferenz "Neutrino Oszillationen in Venedig».

Siehe auch:
1) Wimping auf dem Cocktail Party Physik Blog.
2) Über das DAMA-LIBRA Ergebnis im Blog Ein Quantum Diaries Survivor.

Igor Iwanow


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