Máy dò hạt vật chất tối • Igor Ivanov • Nhiệm vụ khoa học phổ biến về "Yếu tố" • Vật lý

Máy dò hạt vật chất tối

Có một lượng lớn dữ liệu vật lý thiên văn cho thấy rằng, ngoài các vì sao, hành tinh, đám mây khí và bụi, lỗ đen, v.v., còn có nhiều vật chất tối trong vũ trụ. Chất này không thể nhìn thấy trong bất kỳ phạm vi nào của sóng điện từ, nó được phân tán trong không gian và ảnh hưởng trọng lực đến chuyển động của các ngôi sao chỉ trên các quy mô thiên hà. Người ta cho rằng vật chất này bao gồm các hạt của một loại mới, và các hạt này tương tác với vật chất thông thường cực kỳ yếu. Đồng thời chúng ta sẽ nói rằng không phải khối lượng của các hạt vật chất tối, cũng như xác suất va chạm của chúng với hạt nhân vật chất được biết trước. Tuy nhiên, được biết đến là mật độ vật chất tối trong khu vực thiên hà của hệ mặt trời (khoảng 10-21 kg / m3) và thực tế là các hạt vật chất tối có phân bố nhiệt xấp xỉ với vận tốc điển hình là 100-200 km / s.

Hình 1. Các hạt vật chất tối, xuyên qua máy dò, thỉnh thoảng va chạm với hạt nhân của chất hoạt động và truyền năng lượng của chúng cho chúng. Năng lượng này do thác của các quá trình thứ cấp được phát hành trong máy dò và có thể được đăng ký bằng cảm biến. Hình tác giả tác vụ

Hệ mặt trời, di chuyển dọc theo quỹ đạo thiên hà của nó, liên tục cảm thấy "hướng gió" của các hạt vật chất tối. Do sự yếu ớt của sự tương tác, gió thổi qua mặt trời và các hành tinh, và chỉ thỉnh thoảng các hạt vật chất tối vấp phải vật chất thông thường. Nếu những va chạm như vậy hiếm khi xảy ra, nhưng vẫn xảy ra, nó có thể trực tiếp đăng ký các hạt vật chất tối (xem hình 1). Để làm được điều này, trong một hầm mỏ dưới lòng đất, bạn có thể lắp đặt một thùng chứa kín với chất làm việc, cùng với Trái đất, cũng sẽ cảm thấy một luồng gió "gió vật chất tối". Khi một hạt vật chất tối va chạm với hạt nhân của chất và hồi phục đàn hồi từ nó, nó sẽ chuyển một số năng lượng cho chất, và các cảm biến được lắp đặt bên trong bình sẽ có thể lấy được năng lượng như vậy.

Trong trường hợp lý tưởng, chỉ một sự kiện như vậy là đủ để công bố việc đăng ký các hạt vật chất tối. Tuy nhiên, trên thực tế, luôn có một nền tảng còn sót lại từ các tia vũ trụ và từ các tạp chất của các đồng vị phóng xạ trong nhiều loại vật liệu khác nhau, điều này thỉnh thoảng sẽ gây ra các báo động giả của cảm biến.Do đó, nếu các hạt vật chất tối va chạm với chất của detector quá ít, quá trình này không thể tách rời khỏi nền. Ngoài ra, các cảm biến tự có một ngưỡng nhạy cảm nhất định: chúng không thể nhận thấy việc giải phóng năng lượng ít hơn một giá trị nhất định. Do đó, giới hạn độ nhạy có thể đạt được của các thí nghiệm như vậy được trình bày dưới dạng đồ họa độ nhạycho thấy xác suất va chạm của máy dò sẽ có thể giáng xuống nếu một hoặc một khối lượng vật chất tối khác

Nhiệm vụ

Tìm hiểu, các hạt trong đó khối lượng sẽ là máy dò nhạy cảm nhất của vật chất tối với một chất hoạt động từ xenon lỏng. Vẽ một một cái nhìn điển hình của đồ thị độ nhạy của một máy dò như vậy (hạn chế độ nhạy phụ thuộc vào khối lượng của các hạt vật chất tối).


Gợi ý

Hình 2 Va chạm đàn hồi của các hạt di chuyển và nghỉ ngơi. Hình tác giả tác vụ

Điều bất thường về vấn đề này là trước tiên chúng ta phải nhận ra giá trị nào là cần thiết để tìm và cách kết nối nó với các giá trị đã biết. Để làm điều này, nhiệm vụ có thể được chia thành nhiều giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên là vấn đề chính xác được giải quyết của sự va chạm đàn hồi của hai cơ quan (Hình 2).Hãy để lõi nghỉ ngơi của khối lượng m một hạt vật chất tối tấn công khối lượng M và tốc độ cố định v1 (vận tốc nhiệt ban đầu của hạt nhân ít hơn nhiều v1do đó chúng tôi bỏ bê chúng). Sau khi tác động, hạt nhân bay ra ở một tốc độ nhất định và ở một góc độ nào đó (hãy gọi nó là β) theo hướng chuyển động ban đầu của hạt. Nó là cần thiết để tìm ra năng lượng cốt lõi sẽ thu được tùy thuộc vào góc β.

Ở bước thứ hai, cần phải hiểu năng lượng này và tần suất va chạm phụ thuộc vào khối lượng của hạt vật chất tối như thế nào. Tiếp theo, người ta có thể tìm thấy sự phụ thuộc của việc giải phóng năng lượng trong máy dò trên một đơn vị thời gian (và không cho một xung đột), sau đó nó sẽ trở nên rõ ràng như thế nào giới hạn độ nhạy của máy dò phụ thuộc vào khối lượng hạt.


Giải pháp

Đầu tiên chúng ta giải quyết vấn đề va chạm của hai hạt. Giá trị m, M, v1được coi là được biết đến, góc khởi hành của lõi β là một tham số của vấn đề, và tùy thuộc vào nó nó là cần thiết để tìm tốc độ cuối cùng bạn2 hạt khối lượng m. Để làm điều này, hãy viết luật bảo tồn năng lượng:

và luật bảo toàn động lượng dọc theo hai trục:

Hệ phương trình này có thể được giải quyết bằng cách loại bỏ góc đầu tiên αvà sau đó là tốc độ v2. Câu trả lời cho tốc độ và năng lượng của hạt nhân là:

Sự phụ thuộc của việc giải phóng năng lượng lên khối lượng của hạt sự cố được chứa trong hệ số nhân. M2/(m + M)2. Nếu hạt vật chất tối quá sáng, nhẹ hơn hạt nhân, thì nó sẽ chuyển tới hạt nhân chỉ một phần rất nhỏ năng lượng của nó (cùng một hiệu ứng đã gặp phải trong vấn đề electron nóng). Nếu năng lượng này ở dưới ngưỡng nhạy cảm của cảm biến, thì máy dò sẽ không nhận ra kết quả của một va chạm như vậy. Trong trường hợp ngược lại, nếu hạt vật chất tối nặng hơn hạt nhân nhiều, thì sự giải phóng năng lượng đi đến một hằng số và ngừng phụ thuộc vào khối lượng của hạt (xem Hình 3, bên trái).

M/m; đường màu đỏ cho biết ngưỡng nhạy cảm của các cảm biến. Quyền: phát hành năng lượng trong máy dò trên một đơn vị thời gian. Hình tác giả của tác vụ "border = 0>Hình 3 Năng lượng giải phóng trong một va chạm, tùy thuộc vào khối lượng của hạt vật chất tối. Ở bên trái: năng lượng hạt nhân trong một va chạm đơn lẻ như một hàm số của tỷ lệ khối lượngM/m; đường đỏ cho thấy ngưỡng độ nhạy của các cảm biến. Ở bên phải: phát hành năng lượng trong máy dò mỗi đơn vị thời gian. Hình tác giả tác vụ

Bây giờ chúng ta tìm ra tần suất của các sự kiện phụ thuộc vào khối lượng của các hạt vật chất tối, tất cả những thứ khác bằng nhau.Từ dữ liệu vật lý thiên văn, mật độ vật chất tối trong vùng lân cận của hệ mặt trời gần như được biết đến. Nếu vật chất tối bao gồm các hạt có khối lượng Msau đó họ sự tập trung tỷ lệ nghịch với khối lượng của hạt. Điều này có nghĩa là các hạt nặng hơn, chúng càng bay qua máy dò, và do đó, ít thường xuyên hơn – tất cả mọi thứ đều bình đẳng – va chạm sẽ xảy ra. Sau đó, việc giải phóng năng lượng trong máy dò trên một đơn vị thời gian sẽ tỷ lệ thuận với việc giải phóng năng lượng trong một va chạm đơn nhân với tần số va chạm: dE/dt ~ M/(M + m)2.

Hình 4 Biểu đồ độ nhạy của máy dò vật chất tối trên mặt phẳng (khối lượng của các hạt vật chất tối, xác suất tương tác với chất của detector). Khu vực bóng mờ cho thấy các giá trị của các thông số mà tại đó máy dò có thể phát hiện tín hiệu từ các hạt vật chất tối. Hình tác giả tin tức

Biểu đồ của sự phụ thuộc này được thể hiện trong hình. 3, bên phải. Nó cho thấy một máy dò với một chất làm việc cố định sẽ nhạy nhất với các hạt vật chất tối với khối lượng bằng khối lượng của hạt nhân chất (trong ví dụ của chúng ta, khối lượng của hạt nhân xenon, khoảng 120 GeV).Các hạt vật chất tối nhẹ hơn đáng kể sẽ dẫn đến việc giải phóng năng lượng rất yếu, và các hạt rất nặng sẽ va chạm rất hiếm khi tín hiệu từ chúng sẽ khó tách rời khỏi các quá trình nền. Do đó, đồ thị độ nhạy của máy dò có một cái nhìn đặc trưng thể hiện trong hình. 4

Với khối lượng tối ưu của các hạt vật chất tối, máy dò sẽ có thể ghi lại va chạm, ngay cả khi xác suất của chúng đối với mỗi hạt đi qua máy dò là rất thấp (P0). Đối với các hạt rất nặng, xác suất này nên xấp xỉ M / m nhiều lần P0: Nó không đủ hạt nặng, nhưng nếu xác suất va chạm của một hạt tăng lên, thì máy dò cũng có thể đăng ký các hạt đó. Trong trường hợp của các hạt rất nhẹ với phân bố tốc độ nhiệt, phần lớn trong số chúng tạo ra quá ít năng lượng giải phóng. Chỉ những hạt rất hiếm mới có được tốc độ đáng kể trên mức trung bình và đã có khả năng kích hoạt cảm biến. Để điều này xảy ra trong quá trình hoạt động của detector, cần xác suất va chạm cho mỗi hạt cũng cao hơn đáng kể. P0.


Lời nói

Trong thập kỷ qua, hơn một chục thí nghiệm dài hạn trong việc tìm kiếm các hạt vật chất tối đã được đưa ra. Không có sự quan sát rõ ràng của các hạt vật chất tối, nhưng khi thời gian chờ tích lũy, và cũng do tiến trình trong phương pháp làm sạch vật liệu và cải thiện cảm biến, độ nhạy của máy dò dần dần phát triển. Hơn nữa, đã có hai thí nghiệm – DAMA / LIBRA và CoGeNT – báo cáo sự quan sát của một số tín hiệu có thể được hiểu là biểu hiện của các hạt vật chất tối. Đúng vậy, hầu hết các chuyên gia đều hoài nghi về dữ liệu này: thứ nhất, họ không nhất quán với nhau và mâu thuẫn với một số thí nghiệm khác, và thứ hai, những khiếm khuyết không được ghi lại của chính các cơ sở đó chưa thể loại trừ được.

Hình 5 Tìm kiếm trực tiếp các hạt vật chất tối vào năm 2011. Đường cong màu hiển thị các khu vực bị loại trừ khỏi kết quả âm của các thiết bị dò vật chất tối khác nhau (những gì nằm phía trên các đường cong được đóng lại). Vùng màu vàng tương ứng với các giá trị của khối lượng và mặt cắt ngang của các hạt vật chất tối, theo các kết quả của máy dò DAMA / LIBRA. Khác nhau thang độ xám Các dự đoán lý thuyết của một số mô hình được hiển thị. Hình ảnh từ bài viết E.Figueroa-Feliciano. Tìm kiếm trực tiếp tìm kiếm vật chất tối WIMP // Prog. Một phần. Nucl. Phys. 661 (2011) 661-673

Trong hình. 5 chỉ hiển thị đồ thị độ nhạy mà vấn đề đã được thảo luận. Ở đây, tuy nhiên, trục y nó không phải là xác suất bị trì hoãn, mà là phần va chạm, với các tham số cố định khác, là như nhau. Các đường khác nhau đánh dấu ngưỡng độ nhạy của thiết bị dò thực. Màu vàng cho thấy các vùng tham số hạt vật chất tối, giả sử rằng máy dò DAMA / LIBRA thực sự đã đăng ký chúng; rõ ràng là các khu vực này được coi là đóng cửa trong các thí nghiệm khác. Các khu vực màu xám ở phần dưới của biểu đồ cho thấy những kỳ vọng về khối lượng và mặt cắt ngang cho sự tương tác của các hạt vật chất tối phát sinh trong một số mô hình vật lý hạt cơ bản bên ngoài Mô hình Chuẩn, đặc biệt là trong các lý thuyết siêu đối xứng. Có thể thấy rằng các máy dò hạt vật chất tối hiện đại đã đến gần khu vực này.


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: :???: :?: :!: