Dữ liệu mới từ thí nghiệm CoGeNT vẫn chỉ ra việc đăng ký các hạt vật chất tối • Igor Ivanov • Tin tức khoa học về "Yếu tố" • Vật lý, Vật lý thiên văn

Dữ liệu mới từ thí nghiệm CoGeNT vẫn cho thấy việc đăng ký các hạt vật chất tối

Hình 1. Detector khối CoGeNT dẫn bao quanh bởi các mức độ đầu tiên của sàng lọc. Mặc dù kích thước khiêm tốn của nó, nó cũng là một cầu thủ quan trọng trong việc tìm kiếm vật chất tối vì nó nhạy cảm với việc giải phóng năng lượng thấp và các lỗi thấp. Hình ảnh với trang web cogent.pnnl.gov

Sự cộng tác của CoGeNT – một trong số ít các quan sát có thể có trước đó về các hạt vật chất tối – đã cập nhật các kết quả của nó dựa trên các số liệu thống kê tích lũy trong ba năm làm việc. Các dữ liệu mới vẫn là tín hiệu dư thừa có thể nhìn thấy trên nền trong khu vực mong muốn, và vẫn còn là một đặc tính điều chế theo mùa của các hạt vật chất tối. Bài viết cũng mô tả cách điều chỉnh kết quả của ba thí nghiệm với nhau với kết quả tích cực.

Tìm kiếm vật chất tối vẫn là một trong những vấn đề cấp bách nhất tại giao điểm của vật lý và vật lý thiên văn mô hình thu nhỏ. dữ liệu quan sát cho rằng vật chất tối phải tồn tại, mà nó phải "đòn" trong hình thức của một gió hoàn toàn bao trùm và xuyên qua Trái đất, nhưng bằng chứng cho đăng ký của mình, điều đó sẽ thuyết phục tất cả các chuyên gia nêu ra.Trên toàn thế giới, một vài chục thí nghiệm đang được tiến hành hoặc đang được chuẩn bị để khởi động, đang cố gắng đăng ký hiệu quả của những hạt không biết khối lượng và bản chất không xác định. Mỗi năm thông điệp mới từ các nhóm khác nhau xuất hiện: một số người trong số họ báo cáo nhìn thấy một tín hiệu tích cực, những người khác nói rằng không có điều như vậy (xem, ví dụ, tin tức gần đây của chúng tôi. Năm 2013, và thí nghiệm CROWS để tìm kiếm các hạt siêu nhẹ giả định cho kết quả âm tính, "Yếu tố", 11/06/2013). Không thể phối hợp các tin nhắn này với nhau. Tình trạng này, tất nhiên, là không thỏa đáng và có thể dễ dàng gây nhầm lẫn cho một người quen thuộc với chủ đề, nhưng đó là thực tế ngày nay. Các nhà vật lý chỉ có thể thực hiện các thí nghiệm mới, tăng độ nhạy của họ, tìm kiếm các nguồn lỗi mới, cũng như đưa ra các kỹ thuật bổ sung để phân tích và diễn giải kết quả.

Một vài ngày trước, một bài báo mới từ thí nghiệm CoGeNT xuất hiện trong kho lưu trữ điện tử – một trong bốn thí nghiệm để tìm kiếm các hạt vật chất tối, báo cáo kết quả dương tính (Hình 1).Nếu trước đó sự hợp tác sử dụng số liệu thống kê tích lũy trong 15 tháng đầu tiên của máy dò, giờ đây số liệu thống kê bao gồm hơn ba năm làm việc liên tục. Các kết luận của sự cộng tác đã không thay đổi: tín hiệu vẫn còn hiện diện trong dữ liệu, xấp xỉ với cùng cường độ và trong cùng khu vực, điều chế theo mùa của tín hiệu được quan sát cũng như trước đó, và không thể biết được các nguồn lỗi nào khác. Giải thích về các hạt vật chất tối cho thấy phạm vi khối lượng từ 7-8 GeV. Và mặc dù tất cả điều này, các dữ liệu mới vẫn không thuyết phục bởi hầu hết các chuyên gia.

Trước hết, một vài từ nên được dành cho công nghệ được sử dụng trong máy dò CoGeNT để ghi lại các sự kiện và tách các ứng cử viên tiềm năng thú vị khỏi nền. Không giống như các thiết bị phát hiện xenon lỏng hiện đại, trong đó khối lượng làm việc đang tiếp cận một tấn, CoGeNT hoạt động với tinh thể germanium với khối lượng chỉ có nửa kilôgam. Tuy nhiên, thiết kế điện kỳ ​​lạ của thiết bị, cùng với phương pháp xử lý dữ liệu, cho phép chúng ta làm được những gì mà phần lớn các thiết bị dò tìm khác không thể thực hiện để đăng ký phát hành năng lượng rất thấp.Trong CoGeNT, ngưỡng giải phóng năng lượng, bắt đầu từ đó máy dò phân biệt một sự kiện với nhiễu, chỉ 0,4 keV so với một vài keV trong các máy dò khác. Đây là một giá trị rất quan trọng, bởi vì các hạt ánh sáng vật chất tối, khi va chạm với hạt nhân vật chất, chuyển rất ít năng lượng cho chúng. Việc quan sát các sự kiện "phụ" thuộc về lĩnh vực giải phóng năng lượng thấp, dưới 2 keV, nơi không có lỗi công cụ nào khác được các nhà khoa học biết đến.

Về mặt kỹ thuật, các nguyên tố phát hiện CoGeNT được tạo thành dưới dạng một tụ điện bán dẫn hình trụ. Một điện áp được áp dụng cho các điểm tiếp xúc trong nó, một điện trường phát sinh trong máy dò, và nếu hạt vật chất tối đập ra nhiều electron, chúng sẽ tập trung tại một trong các tiếp điểm và tạo ra sự giật gân trong các thiết bị đọc (xem vấn đề detector photon về chủ đề liên quan). Tính năng thiết kế của máy dò này là một điện cực rất lớn – nó chiếm gần như toàn bộ bề mặt hình trụ, và thứ hai là nhỏ, ở dạng tiếp xúc gần như điểm ở giữa đầu (Hình 2).

Hình 2 Nguyên mẫu đầu dò cho thí nghiệm CoGeNT. Toàn bộ bề mặt của hình trụ là một điện cực, và điểm nhỏ ở giữa mặt cuối chứa một điện cực khác. Hình ảnh từ kicp.uchicago.edu

Một điểm quan trọng khác là khả năng tách các sự kiện bên trong và bề mặt (Hình 3). Nếu phát hành năng lượng xảy ra gần bề mặt của máy dò, thì một phần của điện tích có thể không đi vào bên trong máy dò. Bởi vì điều này, nó có thể có vẻ như để phát hiện rằng nó đã đăng ký một sự kiện với một phát hành năng lượng yếu (ứng cử viên cho các hạt vật chất tối), mặc dù trong thực tế, tổng năng lượng phát hành là lớn. Nếu năng lượng được giải phóng ở độ sâu của khối lượng làm việc, thì bạn có thể chắc chắn rằng năng lượng thu được là rất nhỏ.

Hình 3 Tách các sự kiện giải phóng năng lượng gần bề mặt của máy dò và trong thể tích của nó có thể do các dạng xung điện khác nhau khi đọc điện tích thu được: các sự kiện bề mặt mượt mà hơn, và các sự kiện lớn hơn đột ngột

Máy dò CoGeNT không thể theo dõi trực tiếp chính xác vị trí của trung tâm giải phóng năng lượng, nhưng nó có thể đo hình dạng của tín hiệu điện đến các điện cực. Nó chỉ ra rằng các tín hiệu được tạo ra bởi phát hành năng lượng bên trong và bề mặt trông rất khác nhau (tín hiệu “nhanh” cho sự kiện xung quanh, tín hiệu “chậm” cho bề mặt), có thể phân tách hai loại này với một tỷ lệ rất nhỏ các sai tích cực.

Bây giờ chúng ta chuyển sang kết quả của thí nghiệm CoGeNT.Báo cáo đầu tiên về kết quả dương tính có liên quan đến năm 2010. Sau đó, sự hợp tác nhận thấy rằng trong số tất cả các dữ liệu, khu vực phát hành năng lượng nhỏ nhất nổi bật – dưới 2 keV. Nếu trong tất cả các năng lượng khác, số lượng các sự kiện tương ứng hoàn toàn với nền và các đỉnh hẹp tương ứng với các phần tử phóng xạ đã biết, sau đó trừ đi các sự kiện nền, tăng rõ rệt về năng lượng thấp hơn (Hình 4). Một tín hiệu như vậy được mong đợi từ những hạt vật chất tối vừa phải. Hầu hết các sự kiện gây ra bởi các hạt như vậy sẽ dẫn đến việc giải phóng năng lượng rất nhỏ, dưới ngưỡng nhạy cảm, nhưng "đuôi" của phân bố tốc độ của các hạt này sẽ tạo ra hình dạng đường cong quan sát được. So sánh cho thấy dữ liệu phù hợp nhất với khối lượng 7-8 GeV.

Hình 4 Sự gia tăng số lượng các sự kiện trong vùng năng lượng thấp trong dữ liệu CoGeNT. Biểu đồ – tích lũy dữ liệu năm 2011 đường cong trong khu vực 1–1,5 keV là sự đóng góp của các đồng vị phóng xạ. Chèn cho thấy kết quả của việc trừ các đóng góp nền này từ dữ liệu, khác nhau đường cong trên inset này, các giả thuyết về các hạt vật chất tối có khối lượng khác nhau được đáp ứng.Hình ảnh từ bài viết arXiv: 1106.0650

Sau đó, vào năm 2011, thí nghiệm CoGeNT đã phát hiện ra một hiệu ứng quan trọng khác – điều chế theo mùa về số lượng các sự kiện. Đáng chú ý là hiệu ứng được thể hiện chính xác trong dữ liệu năng lượng thấp. Tuy nhiên, ý nghĩa thống kê của tín hiệu là thấp, và dữ liệu chỉ bao gồm 15 tháng làm việc, nhưng đây là báo cáo thứ hai (sau DAMA / Libra) về việc quan sát hiệu ứng này.

Ngày 17 tháng 3 năm 2011 trong mỏ "Sudan" (xem mỏ Soudan) có một đám cháy, vì thí nghiệm đã bị buộc phải nhàn rỗi trong ba tháng. Các thử nghiệm cho thấy sự cố không ảnh hưởng đến hiệu suất của máy dò và vào mùa hè, bộ dữ liệu được tiếp tục. Kết quả là, vào cuối năm 2013, các nhà vật lý đã có số liệu thống kê xử lý của họ bao gồm ba năm làm việc. Điều này cho phép chúng tôi xây dựng các mốc thời gian dài hơn.sKhông kiểm tra trình tự nếu tần suất theo mùa được thể hiện trong chúng.

Trong một bài báo mới, sự hợp tác báo cáo rằng điều chế vẫn còn hiện diện (Hình 5). Như trước đây, chỉ có dữ liệu về các sự kiện năng lượng thấp được tiếp xúc với biến động hàng năm, và chỉ cho các sự kiện xảy ra trong khối lượng máy dò, chứ không phải trên bề mặt.Tất cả điều này là một lập luận ủng hộ thực tế là không thể viết ra những biến động này cho bất kỳ tác động còn lại nào của các điều kiện khí hậu bên ngoài hoặc các lý do tương tự khác. Trong thực tế, ý nghĩa thống kê của biến thể hàng năm là rất nhỏ, chỉ 2,2 sigma, thậm chí không đạt đến mức "ba sigma", mà các nhà vật lý đang bắt đầu có hiệu quả nghiêm túc. Tuy nhiên, sự thay đổi này không thay đổi theo thời gian, vì vậy có thể hy vọng rằng sau một vài năm nữa, ý nghĩa thống kê sẽ tăng lên một mức độ thú vị.

Hình 5 Số lượng sự kiện trong dữ liệu CoGeNT tương ứng với việc giải phóng năng lượng 0,5-2 keV trong khối lượng detector. Thống kê được hiển thị trong suốt thời gian kể từ khi ra mắt thử nghiệm vào tháng 12 năm 2009. Dải màu xám – thí nghiệm đơn giản bắt buộc do hỏa hoạn trong mỏ. Dữ liệu cho thấy điều chế theo mùa với khoảng thời gian khoảng một năm, được hiển thị đường lượn sóng. Mũi tên dọc lưu ý những khoảnh khắc của số liệu thống kê tối đa trong thử nghiệm DAMA / Libra. Hình ảnh từ bài viết đang thảo luận

Bài viết cộng tác của CoGeNT chứa một chi tiết thú vị khác. Thông thường, những thử nghiệm tìm kiếm vật chất tối đó báo cáo kết quả tích cựcChúng bị chỉ trích trên cơ sở thực tế là trong tất cả chúng có giá trị hơi khác nhau về khối lượng và mặt cắt ngang thu được đối với các hạt vật chất tối. Nếu tín hiệu của họ là một dấu hiệu thực sự của vật chất tối, họ sẽ phải đưa ra, trong các lỗi, cùng một giá trị. Tuy nhiên, do thực tế các thí nghiệm khác nhau sử dụng các chất khác nhau và có các ngưỡng đáp ứng khác nhau, sự bất đồng giữa chúng không quá phổ biến. Bài báo CoGeNT cung cấp phân tích các dữ liệu này trong các mô hình phân bố vật chất tối khác nhau trong Galaxy và cho thấy rằng cũng có một tùy chọn trong đó ba thí nghiệm có kết quả dương (DAMA, CoGeNT, CDMS) đồng ý với nhau (Hình 6). Có, tất nhiên, vẫn còn có vấn đề làm thế nào để hiểu được kết quả tiêu cực gần đây của thí nghiệm LUX trong ánh sáng này, nhưng ít nhất là điểm này của những lời chỉ trích hóa ra là tự nó không thể chối cãi.

Hình 6 Các khu vực của thông số khối lượng và mặt cắt ngang cho sự tương tác của các hạt vật chất tối, được chỉ ra bởi bốn thí nghiệm với kết quả dương tính. Trong khuôn khổ của một số mô hình phân bố các hạt vật chất tối, ba kết quả có thể được phối hợp với nhau.Tuy nhiên, những giá trị này vẫn rơi vào vùng bị đóng bởi các thí nghiệm XENON100 và LUX. Hình ảnh từ bài viết đang thảo luận

Tuy nhiên, dữ liệu mới không thay đổi tâm trạng chung trong lĩnh vực vật lý này. Hầu hết các chuyên gia tin rằng các lập luận "chống lại" cho đến nay lớn hơn những thuận. Kỳ vọng ở đây được liên kết chủ yếu với các thí nghiệm mới để tìm kiếm các hạt vật chất tối và chúng đang trên đường. Ví dụ, giả sử rằng chỉ vài ngày sau bài viết CoGeNT, kết quả đầu tiên của thí nghiệm DM-Ice17 đã được xuất bản trong kho lưu trữ điện tử. Đây là một máy dò natri iodide được cài đặt ở Nam Cực và được đông lạnh thành băng Nam Cực ở độ sâu hai kilomet, ở giữa cài đặt quy mô cây số của IceCube. DM-Ice17 vẫn chưa phát hiện bất kỳ tín hiệu đáng ngờ nào, nhưng nó đã hoạt động được hai năm, không chỉ từ nền văn minh mà còn từ chính các nhà nghiên cứu. Vì vậy, nó có thể được coi là dấu hiệu đầu tiên của các thí nghiệm trong tương lai để tìm kiếm vật chất tối ở độ dày của băng Nam Cực. Nói chung, trong vài năm tới, chúng ta có thể mong đợi một số kết quả thú vị mới từ việc cài đặt một thế hệ mới.Thời gian sẽ cho thấy những gì họ sẽ hiển thị và liệu họ sẽ giúp hiểu được những kết quả tích cực được biết đến ngày hôm nay.

Nguồn: CoGeNT hợp tác. CoGeNT Dark Matter Detector Dữ liệu / E-Print arXiv: 1401.3295 [astro-ph.CO].

Xem thêm:
Gió từ vật chất tối, có vẻ như, vẫn thổi xuống mặt đất, "Kompyulenta", 01.21.2014.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: