Neue Daten aus dem CoGeNT-Experiment weisen noch auf die Registrierung von Teilchen der Dunklen Materie hin • Igor Ivanov • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Physik, Astrophysik

Neue Daten aus dem CoGeNT-Experiment weisen immer noch auf die Registrierung von Partikeln aus dunkler Materie hin

Abb. 1. CoGeNT-Detektor umgeben von Bleiabschirmblöcken der ersten Ebene. Trotz seiner bescheidenen Größe ist es auch ein wichtiger Akteur auf der Suche nach dunkler Materie wegen seiner Empfindlichkeit gegenüber geringer Energiefreisetzung und geringen Fehlern. Bild von cogent.pnnl.gov

Die CoGeNT-Kollaboration – eine der wenigen zuvor gemeldeten möglichen Beobachtungen von Partikeln der Dunklen Materie – hat ihre Ergebnisse basierend auf Statistiken, die über drei Jahre Arbeit gesammelt wurden, aktualisiert. Die neuen Daten zeigen immer noch das Übermaß des Signals über dem Hintergrund in dem gewünschten Bereich, und die saisonale Modulationscharakteristik von Teilchen dunkler Materie wird immer noch beobachtet. Der Artikel beschreibt auch, wie die Ergebnisse von drei Experimenten miteinander mit positiven Ergebnissen in Einklang gebracht werden können.

Die Suche nach Teilchen der Dunklen Materie bleibt eines der akutesten Probleme an der Schnittstelle der Physik der Mikro- und der Astrophysik. Beobachtungsdaten weisen darauf hin, dass dunkle Materie existieren sollte, dass sie in Form eines alles durchdringenden Windes und durch die Erde "blasen" sollte, aber es gibt keine Beweise für ihre Registrierung, die alle Spezialisten überzeugen würde.Überall auf der Welt werden einige Dutzend Experimente durchgeführt oder sind auf den Start vorbereitet, die versuchen, die Wirkung dieser Teilchen unbekannter Masse und unbekannter Natur zu registrieren. Jedes Jahr erscheinen neue Nachrichten von verschiedenen Gruppen: Einige von ihnen berichten von einem positiven Signal, andere sagen, dass es so etwas nicht gibt (siehe zum Beispiel unsere jüngsten Nachrichten. Das LUX-Experiment hat noch keine Partikel der Dunklen Materie entdeckt. 31.10. 2013, und das CROWS-Experiment zur Suche nach hypothetischen ultraleichten Teilchen ergab ein negatives Ergebnis, "Elements", 11/06/2013). Es ist nicht möglich, diese Nachrichten miteinander zu koordinieren. Diese Situation ist natürlich nicht befriedigend und kann leicht eine Person verwirren, die mit dem Thema vertraut ist, aber das ist heute die Realität. Physiker können nur neue Experimente machen, ihre Empfindlichkeit erhöhen, nach neuen Fehlerquellen suchen und zusätzliche Techniken zur Analyse und Interpretation der Ergebnisse entwickeln.

Vor wenigen Tagen erschien im e-prints-Archiv ein neuer Artikel aus dem CoGeNT-Experiment – eines von vier Experimenten zur Suche nach Partikeln der Dunklen Materie mit positiven Ergebnissen (Abb. 1).Wenn früher die Kollaboration Statistiken verwendet hat, die in den ersten 15 Monaten des Detektors gesammelt wurden, decken die Statistiken nun mehr als drei Jahre ununterbrochener Arbeit ab. Die Schlussfolgerungen der Zusammenarbeit haben sich nicht geändert: Das Signal ist immer noch in den Daten vorhanden, ungefähr mit derselben Stärke und in demselben Bereich, die saisonale Modulation des Signals wird ebenso wie vorher beobachtet, und keine anderen bekannten Fehlerquellen können abgeschrieben werden. Die Interpretation in Bezug auf Teilchen mit dunkler Materie zeigt einen Massenbereich von 7-8 GeV an. Die neuen Daten überzeugen die meisten Experten dennoch nicht.

Zunächst sollten einige Worte der Technologie gewidmet werden, die im CoGeNT-Detektor zur Aufzeichnung von Ereignissen und zur Trennung potentiell interessanter Kandidaten vom Hintergrund verwendet wird. Im Gegensatz zu modernen Flüssig-Xenon-Detektoren, bei denen das Arbeitsvolumen bereits eine Tonne erreicht, arbeitet das CoGeNT mit Germaniumkristallen mit einer Masse von nur einem halben Kilogramm. Das bizarre elektrische Design des Geräts, gekoppelt mit der Methode der Datenverarbeitung, erlaubt uns jedoch, das zu tun, was die meisten anderen Detektoren nicht tun können, um eine sehr niedrige Energiefreisetzung zu registrieren.In CoGeNT beträgt die Energiefreisetzungsschwelle, ab der der Detektor ein Ereignis von einem Rauschen unterscheidet, nur 0,4 keV gegen mehrere keV in anderen Detektoren. Dies ist ein sehr wichtiger Wert, da helle Teilchen der dunklen Materie, wenn sie mit den Kernen der Materie kollidieren, sehr wenig Energie auf sie übertragen. Die Beobachtung von "Extra" -Ereignissen gehört genau zu dem Bereich der Energiefreisetzung unterhalb von 2 keV, bei dem keine anderen instrumentellen Fehler bekannt sind.

Technisch sind die CoGeNT-Detektionselemente in Form eines zylindrischen Halbleiterkondensators ausgeführt. Die an den Kontakten anliegende Spannung, ein elektrisches Feld entsteht im Detektor, und wenn ein dunkles Materieteilchen mehrere Elektronen ausstößt, werden sie sich an einem der Kontakte sammeln und ein Splash in der Leseelektronik erzeugen (siehe das Photonendetektorproblem zu einem verwandten Thema). Das Design dieses Detektors besteht darin, dass eine Elektrode sehr groß ist – sie nimmt fast die gesamte zylindrische Oberfläche ein und die zweite ist winzig, in Form eines Punktkontakts in der Mitte des Endes (Abb. 2).

Abb. 2 Früher Detektorprototyp für das CoGeNT-Experiment. Die gesamte Oberfläche des Zylinders ist eine Elektrode und der kleine Fleck in der Mitte der Endfläche enthält eine andere. Bild von kicp.uchicago.edu

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Fähigkeit, interne und Oberflächenereignisse zu trennen (Abb. 3). Wenn die Energiefreisetzung in der Nähe der Oberfläche des Detektors stattfand, könnte ein Teil der Ladung einfach nicht in den Detektor gelangen. Aus diesem Grund könnte es für den Detektor als ein Ereignis mit einer schwachen Energiefreisetzung (Kandidat für dunkle Materieteilchen) registriert worden sein, obwohl tatsächlich die Gesamtenergiefreisetzung groß war. Wenn die Energie in der Tiefe des Arbeitsvolumens freigesetzt wird, können Sie sicher sein, dass die gesammelte Energie wirklich klein ist.

Abb. 3 Die Trennung von Energiefreisetzungsereignissen nahe der Oberfläche des Detektors und in seinem Volumen ist aufgrund der unterschiedlichen Form von elektrischen Impulsen möglich, wenn die gesammelte Ladung gelesen wird: Oberflächenereignisse sind glatter und größere sind abrupter

Der CoGeNT-Detektor kann nicht direkt verfolgen, wo genau das Zentrum der Energiefreisetzung ist, aber er kann die Form des elektrischen Signals messen, das zu den Elektroden kam. Es stellt sich heraus, dass die von der internen und der Oberflächenenergiefreisetzung erzeugten Signale sehr unterschiedlich aussehen (das "schnelle" Signal für das Umgebungsereignis, das "langsame" Signal für die Oberfläche), wodurch es möglich ist, diese beiden Typen mit einem sehr kleinen Prozentsatz von falschen Positiven zu trennen.

Wir wenden uns nun den Ergebnissen des Experiments CoGeNT zu.Der erste Bericht über ein positives Ergebnis bezieht sich auf 2010. Dann fiel der Zusammenarbeit auf, dass unter allen Daten der Bereich der kleinsten Energiefreisetzung – unter 2 keV – herausragt. Wenn in allen anderen Energiebereichen die Anzahl der Ereignisse vollständig dem Hintergrund und schmalen Peaks entspricht, die bekannten Zerfällen radioaktiver Elemente entsprechen, ist nach Abzug der Hintergrundereignisse ein stetiger Anstieg zu niedrigeren Energien deutlich zu erkennen (Abb. 4). Ein solches Signal wird von moderat leichten Partikeln dunkler Materie durchaus erwartet. Die meisten der durch solche Teilchen verursachten Ereignisse hätten zu einer sehr kleinen Energiefreisetzung unterhalb der Empfindlichkeitsschwelle geführt, aber der "Schwanz" der Geschwindigkeitsverteilung dieser Teilchen hätte die beobachtete Kurvenform erzeugt. Der Vergleich zeigte, dass die Daten am besten mit einer Masse von 7-8 GeV übereinstimmen.

Abb. 4 Die Zunahme der Anzahl von Ereignissen in der Niedrigenergie-Region in den CoGeNT-Daten. Histogramm – bis 2011 Daten gesammelt Kurven im Bereich von 1-1,5 keV sind die Beiträge von radioaktiven Isotopen. Einfügen zeigt das Ergebnis der Subtraktion dieser Hintergrundbeiträge von den Daten, unterschiedlich Kurven Auf dieser Einfügung treffen die Hypothesen zu Dunklen Materiepartikeln unterschiedlicher Masse zu.Bild vom Artikel arXiv: 1106.0650

2011 entdeckte das CoGeNT-Experiment einen weiteren wichtigen Effekt – die jahreszeitliche Modulation der Anzahl der Ereignisse. Bemerkenswert ist, dass sich der Effekt gerade in energiearmen Daten manifestierte. Die statistische Signifikanz des Signals war jedoch gering, und die Daten deckten nur 15 Monate Arbeit ab, aber dies war die zweite (nach DAMA / Libra) Bericht über die Beobachtung dieses Effekts.

17. März 2011 in der Mine "Sudan" (siehe Soudan Mine) gab es ein Feuer, aufgrund dessen das Experiment gezwungen wurde, für drei Monate im Leerlauf zu halten. Die Tests zeigten, dass der Vorfall die Leistung des Detektors nicht beeinträchtigte, und im Sommer wurde der Datensatz wieder aufgenommen. Damit standen den Physikern Ende 2013 Statistiken über drei volle Arbeitsjahre zur Verfügung. So konnten wir noch längere Zeitspannen erstellen.sÜberprüfen Sie nicht die Reihenfolge, wenn sich die saisonale Häufigkeit in ihnen manifestiert.

In einem neuen Artikel berichtet die Kollaboration, dass die Modulation noch vorhanden ist (Abb. 5). Nach wie vor waren nur Daten zu Ereignissen mit niedriger Energie jährlichen Schwankungen ausgesetzt und nur für Ereignisse, die im Detektorvolumen und nicht an der Oberfläche auftraten.All dies ist ein Argument dafür, dass es unmöglich ist, irgendwelche Restwirkungen von äußeren klimatischen Bedingungen oder andere ähnliche Gründe abzuschreiben. In Wahrheit ist die statistische Signifikanz der jährlichen Variation sehr klein, nur 2,2 Sigma, was nicht einmal das Niveau von "Drei Sigma" erreicht, für das Physiker die Wirkung ernst zu nehmen beginnen. Diese Variation ändert sich jedoch nicht mit der Zeit, so dass zu hoffen ist, dass die statistische Signifikanz nach einigen weiteren Jahren auf ein interessantes Niveau ansteigen wird.

Abb. 5 Die Anzahl der Ereignisse in den CoGeNT-Daten entspricht einer Energiefreisetzung von 0,5-2 keV im Detektorvolumen. Die Statistiken werden seit dem Start des Experiments im Dezember 2009 angezeigt. Grauer Streifen – Erzwungenes einfaches Experiment aufgrund eines Feuers in der Mine. Die Daten zeigen saisonale Modulation mit einem Zeitraum von etwa einem Jahr, gezeigt Wellenlinie. Vertikale Pfeile Notieren Sie die Zeitpunkte der Statistikhöchstwerte im DAMA / Libra-Experiment. Bild aus dem Artikel zur Diskussion

Der CoGeNT Collaboration-Artikel enthält ein weiteres interessantes Detail. In der Regel sind diese Suchexperimente mit dunkler Materie positive ErgebnisseSie werden kritisiert aufgrund der Tatsache, dass in allen von ihnen geringfügig unterschiedliche Werte von Masse und Querschnitt für Teilchen dunkler Materie erhalten werden. Wenn ihr Signal ein echter Hinweis auf dunkle Materie wäre, müssten sie innerhalb von Fehlern denselben Wert angeben. Aufgrund der Tatsache, dass verschiedene Experimente unterschiedliche Substanzen verwenden und unterschiedliche Ansprechschwellen haben, ist die Meinungsverschiedenheit zwischen ihnen nicht so universell. Der CoGeNT-Artikel liefert eine Analyse dieser Daten in verschiedenen Modellen der Verteilung der Dunklen Materie in der Galaxis und zeigt, dass es auch eine Option gibt, bei der drei Experimente mit einem positiven Ergebnis (DAMA, CoGeNT, CDMS) miteinander konsistent sind (Abb. 6). Ja, natürlich bleibt das Problem, wie man die jüngsten negativen Ergebnisse des LUX-Experiments vor diesem Hintergrund verstehen kann, aber zumindest erweist sich dieser Kritikpunkt als unbestreitbar.

Abb. 6 Bereiche von Massen- und Querschnittsparametern für die Wechselwirkung von Dunklen Materieteilchen, die durch vier Experimente mit positiven Ergebnissen angezeigt werden. Im Rahmen bestimmter Modelle der Verteilung von Partikeln der Dunklen Materie können drei Ergebnisse miteinander koordiniert werden.Diese Werte fallen jedoch immer noch in die Region, die durch die Experimente XENON100 und LUX geschlossen wurde. Bild aus dem Artikel zur Diskussion

Die neuen Daten ändern jedoch nicht die allgemeine Stimmung auf diesem Gebiet der Physik. Die meisten Experten glauben, dass die Argumente "gegen" die Vorteile überwiegen. Erwartungen sind hier vor allem mit neuen Experimenten zur Suche nach Partikeln der Dunklen Materie verbunden, und sie sind bereits auf dem Weg. Nehmen wir zum Beispiel an, dass wenige Tage nach dem CoGeNT-Artikel die ersten Ergebnisse des DM-Ice17-Experiments im E-Print-Archiv veröffentlicht wurden. Dies ist ein Natriumiodiddetektor, der am Südpol installiert wurde und in einer Tiefe von zwei Kilometern in das antarktische Eis gefroren ist, inmitten der kilometerweiten Installation des IceCube. DM-Ice17 hat noch keine verdächtigen Signale entdeckt, aber es arbeitet seit zwei Jahren, nicht nur von der Zivilisation, sondern auch von den Forschern selbst. Daher kann es als das erste Anzeichen zukünftiger Experimente angesehen werden, nach dunkler Materie in der Dicke des antarktischen Eises zu suchen. Im Allgemeinen können wir in den nächsten Jahren einige neue interessante Ergebnisse von Installationen einer neuen Generation erwarten.Die Zeit zeigt, was sie zeigen werden und ob sie dazu beitragen werden, die heute bekannten positiven Ergebnisse zu verstehen.

Quelle: CoGeNT Zusammenarbeit. CoGeNT Dark Matter Detector Daten / E-Print arXiv: 1401,3295 [astro-ph.CO].

Siehe auch:
Der Wind aus der dunklen Materie scheint immer noch auf den Boden "Kompyulenta", 21.01.2014.

Igor Iwanow


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