Thí nghiệm CROWS về việc tìm kiếm các hạt siêu nhẹ giả định đã cho kết quả âm tính • Igor Ivanov • Tin tức khoa học về "Yếu tố" • Vật lý

Thí nghiệm CROWS để tìm kiếm các hạt siêu nhẹ giả định cho kết quả âm tính.

Hình 1. Các thành phần chính của cài đặt CROWS: bộ cộng hưởng sóng đứng (1) và buồng dò được che chắn từ sóng điện từ (2). Hình ảnh từ bài viết trong thảo luận Phys. Rev. D

Tại CERN, thí nghiệm CROWS đã được hoàn thành để tìm kiếm cái gọi là "tiếng thì thầm" – siêu nhẹ giả định và các hạt tương tác rất yếu bên ngoài Mô hình Chuẩn. Giống như các thí nghiệm trước đây, CROWS cho thấy một kết quả tiêu cực, do đó đóng một khu vực khác của các tham số trong các mô hình Vật lý mới. Nói chung, các thí nghiệm như vậy cho phép chúng ta thăm dò các khía cạnh mới của thế giới của chúng ta và do đó bổ sung cho các thí nghiệm ở các năng lượng rất cao.

Vật lý hạt trên thang đo nhỏ hơn một electron volt

Các thí nghiệm hiện đại trong vật lý hạt cơ bản được thực hiện trong phạm vi khối lượng lên tới teraelektrovolt (TeV) và cao hơn. Nhiều nhà vật lý đang chờ đợi ở đâu đó để chúng ta tìm thấy những biểu hiện đầu tiên của vật lý ngoài Mô hình Chuẩn. Nhưng cùng với những khối lượng và năng lượng TeVal này có một quy mô khác, cũng thu hút sự chú ý của các nhà khoa học trong việc tìm kiếm Vật lý mới – đây là những khối lượng nhỏ hơn một volt điện tử.

Trước tiên, neutrino sống ở đây. Khối lượng neutrino chính xác vẫn chưa được biết, nhưng sự khác biệt của chúng nằm trong vùng của các millielectronvolts (meV; không bị lẫn lộn với MeV – mega-điện volt).Vì khối lượng neutrino là như vậy, phải có một số cơ chế trong lý thuyết tương tác hạt, mà vì lý do nào đó thích quy mô này hơn. Và điều này, về nguyên tắc, có thể có nghĩa là có "sống" ở đây và một số hạt khác, thậm chí còn vô hình hơn cho quan sát trực tiếp hơn neutrino.

Thứ hai, hằng số vũ trụ nổi tiếng, nếu được chuyển đổi thành các đơn vị năng lượng, cũng chỉ ra một vùng khối lượng trật tự của meV. Cách diễn giải con số này trong một ngữ cảnh như vậy không hoàn toàn rõ ràng, nhưng nó không phải là đáng giá để đơn giản loại bỏ gợi ý có thể có của thiên nhiên này.

Thứ ba, trong các lý thuyết khác nhau của Vật lý mới có các hạt cực nhẹ có tính chất khác nhau. Đây là những ví dụ, các axion (các hạt vô hướng giả định, giúp giải thích tại sao vi phạm CP không biểu hiện trong tương tác mạnh) hoặc gravitino cực nhẹ, đôi khi nảy sinh trong các lý thuyết siêu trọng lực. Cuối cùng, gần đây, các mô hình Vật lý mới phổ biến trong đó vật chất tối không chỉ là một loại hạt mà là một "thế giới đen tối" trong đó "các lực tối" mới hoạt động giữa các hạt.Những lực mới này, mà vật chất thông thường là không nhạy cảm, cũng có thể hóa ra là tầm xa, và sau đó các hạt mang điện chịu trách nhiệm cho chúng – được gọi là thông thường photon tối – sẽ rất nhẹ, với khối lượng trong hàng triệu hoặc vi điện tử, hoặc thậm chí ít hơn.

Tất cả các hạt không giống nhau này đều có những đặc điểm chung: khối lượng nhỏ và rất yếu (nhưng khác không!) Tương tác với vật chất thông thường hoặc bức xạ. Do đó, chúng thường được thống nhất bởi một thuật ngữ chung. wisps, từ WISPs viết tắt tiếng Anh, các hạt phụ eV tương tác yếu, các hạt hạt điện tử tương tác yếu yếu (có song song với các hạt WIMP, WIMP, các hạt lớn tương tác yếu). Một đánh giá chi tiết của các mô hình với Vispami có thể được tìm thấy trong một bài viết gần đây arXiv: 1311.0029.

Các hiệu ứng yếu do vispis gây ra có thể bị bắt trong các thí nghiệm đặc biệt, khá kỳ lạ (xem ví dụ bên dưới). Vì các hạt như vậy rõ ràng vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn, chúng có thể cung cấp một đầu mối cho nguồn gốc của vật chất tối. Tất nhiên, không có gì đảm bảo rằng các thí nghiệm để tìm kiếm những hiệu ứng mới như vậy sẽ cho kết quả tích cực. Nhưng cho đến nay vẫn chưa có kết quả tích cực trong việc tìm kiếm Vật lý mới cả ở người va chạm và tìm kiếm trực tiếp vật chất tối.Do đó, có ý nghĩa khi đặt các thí nghiệm như vậy, đặc biệt nếu chúng không yêu cầu đầu tư tài chính quá lớn. Cuối cùng, một trong những nhiệm vụ của vật lý thực nghiệm là kiểm tra tất cả các thuộc tính của thế giới của chúng ta, mà vật lý thực nghiệm này có thể đạt được.

Các thí nghiệm tương tự bắt đầu được tiến hành ở các phòng thí nghiệm khác nhau trên thế giới cách đây không lâu, nhưng hơn một tá trong số chúng đã được thực hiện (một lần nữa, xem bài đánh giá trong bài viết arXiv: 1311.0029). CERN cũng tham gia vào hoạt động này, nơi mà kính viễn vọng axion mặt trời được ứng biến ngẫu nhiên CAST đã hoạt động được khoảng 10 năm. Ngoài ra, vào năm 2013, một CROWS thí nghiệm mới, hoàn toàn trong phòng thí nghiệm (viết tắt của CERN Resonant WISP Search) đã được ra mắt.

Là một phần của thí nghiệm này, vào mùa hè và mùa thu năm nay, một loạt các tìm kiếm gián điệp đã được tiến hành và kết quả được công bố gần đây. Nhìn về phía trước, chúng tôi sẽ nói rằng, giống như các thí nghiệm trước đây, các tìm kiếm này cũng cho kết quả tiêu cực – nếu không tin tức này sẽ được viết theo một giai điệu hoàn toàn khác. Và như thường lệ trong các trường hợp như vậy, các kết quả âm tính này cho phép chúng ta đóng một phần khác của vùng thông số mô hình có thể truy cập trước đó. Điều này và các thí nghiệm khác (cho đến nay) không có hậu quả cách mạng, nhưng chúng cung cấp một lý do thuận tiện để nói về những phương pháp phi tiêu chuẩn nghiên cứu về thế giới vi mô,xuất hiện trong các công cụ vật lý hiện đại.

"Tia laser phát sáng qua bức tường"

Tìm kiếm các axion và "photon tối" được chia thành hai nhóm: trực tiếp và gián tiếp. Cũng giống như trong trường hợp tìm kiếm vật chất tối, tìm kiếm gián tiếp là những nỗ lực để phát hiện tác động của những hạt này lên quan sát vật lý thiên thể, và những cái trực tiếp là các thí nghiệm được tiến hành trực tiếp trong phòng thí nghiệm. Thử nghiệm CROWS được đề cập trong ghi chú này đề cập đến các tìm kiếm trực tiếp.

Ngay cả khi visps là ứng cử viên tốt cho vật chất tối, nó sẽ vô cùng khó khăn để đăng ký nó theo cùng một nguyên tắc mà vật chất tối nặng được tìm kiếm vì phát hành năng lượng không đáng kể. Do đó, các thí nghiệm ở đây trông hơi khác một chút. Thay vì tìm kiếm các vũ trụ vũ trụ, các nhà khoa học đang cố gắng trực tiếp nhậnvà sau đó được phát hiện trong phòng thí nghiệm. Có thể nói rằng mục đích của các thí nghiệm như vậy là để chứng minh sự tồn tại của các tia sáng trong tự nhiên, và câu hỏi đặt ra là chúng phụ thuộc vào vật chất tối như thế nào.

Làm thế nào vispa có thể được tạo ra và đăng ký trong một phòng thí nghiệm? Chỉ do tương tác rất yếu với photon.Do sự tương tác này, các thị giác và các photon thông thường đôi khi có thể biến thành nhau (độc lập hoặc trong một số điều kiện bên ngoài nhất định), có nghĩa là bạn có thể cố gắng tìm kiếm các thí nghiệm quang học.

Ví dụ, trong trường hợp của các axion, ý tưởng phát hiện như sau. Một chùm tia laser mạnh mẽ bay qua một vùng có từ trường mạnh trong chân không (Hình 2). Trong vật lý cổ điển, từ trường bên ngoài này sẽ không hề ảnh hưởng đến chùm tia laser. Tuy nhiên, nếu chúng ta giả định rằng các axion tồn tại và tương tác một chút với các photon, thì nó trở thành một quá trình trong đó một photon laser trong từ trường biến thành một axion (hiệu ứng Primakov). Tất nhiên, khả năng của quá trình này là dành cho một photon rất nhỏ, nhưng nếu có nhiều tia laser trong chùm tia laser, thì chúng ta có thể hy vọng một loại "dòng chảy axion" xảy ra trong chùm laser trong một vùng có từ trường.

Hình 2 Ý tưởng thí nghiệm để tìm kiếm các axion bằng phương pháp "phát sáng xuyên qua tường": chùm tia laser đi qua một vùng có từ trường, và đôi khi các photon (γ) biến thành các axion (a). Sau đó, chùm tia laser dựa vào tường, nhưng các axion bình tĩnh đi qua nó.Trong phần thứ hai với từ trường, các axion có thể được chuyển trở lại thành photon, được ghi lại bởi detector. Hình ảnh từ R. Essig et al. Vùng tối và hạt mới, ánh sáng, yếu

Sau đó, một bức tường mờ nằm ​​trên con đường của chùm tia laser. Tất cả các photon đều bị hấp thụ, nhưng các axion bay xa hơn, mà không nhận thấy bức tường – đơn giản chỉ vì chúng không tương tác với vật chất thông thường. Trực tiếp phía sau bức tường lại là một vùng có từ trường mạnh và trong vùng này, một trong các axion có cơ hội biến thành photon một lần nữa – và photon có cùng tần số giống nhau.

Do đó, sơ đồ thí nghiệm trông như thế này: trong từ trường, chúng ta dựng lên một bức tường hoàn toàn không xác định và chiếu một chùm tia laser mạnh vào trong nó. Phía sau bức tường là một máy dò photon và đang cố gắng nắm bắt ít nhất một thứ gì đó. Nếu che chắn từ ánh sáng laser ban đầu là tốt và nếu các chi tiết kỹ thuật khác được xem xét đầy đủ, thì ngay cả tín hiệu dò tìm yếu nhưng đáng tin cậy sẽ là bằng chứng ủng hộ sự tồn tại của các axion. Để tìm kiếm các photon tối, lược đồ này thậm chí còn được đơn giản hóa một chút. Sự biến đổi thành các photon tối và ngược lại có thể xảy ra một cách tự nhiên, không có sự giúp đỡ từ bên ngoài, do đó không cần phải đặt toàn bộ quá trình cài đặt vào một trường mạnh.Đối với tất cả các thí nghiệm như vậy trong các tài liệu khoa học bị mắc kẹt buồn cười, nhưng tên công bằng "Light Shining through Wall", đó là, các thí nghiệm về "ánh sáng xuyên qua bức tường."

CROWS thử nghiệm

Một thử nghiệm CROWS gần đây tại CERN đã sửa đổi một chút sơ đồ tiêu chuẩn này, điều này làm cho nó có thể đạt được độ nhạy cao hơn (Hình 3). Thứ nhất, thay vì ánh sáng laser, bức xạ vi sóng được sử dụng ở đây. Nếu các photon tối là ánh sáng, chúng không quan tâm đến các photon vật chất hóa – từ quang học hoặc vi sóng. Nhưng với cùng công suất bức xạ của photon vi sóng sẽ là nhiều hơnso với quang học, bởi vì năng lượng của mỗi photon vi sóng riêng lẻ nhỏ hơn hàng ngàn lần.

Hình 3 Lược đồ chung của CROWS thử nghiệm. Hình ảnh từ bài viết trong thảo luận Phys. Rev. D

Tất nhiên, với vi sóng, người ta phải cẩn thận hơn với bức xạ quang học. Cẩn thận trong ý nghĩa rằng vì các bước sóng dài hơn, vi sóng dễ dàng cản trở các chướng ngại vật, thâm nhập sâu hơn vào vật chất và dễ dàng phản xạ hơn từ các vật kim loại. Do đó, một bức tường đơn giản trên đường đi của chùm vi sóng sẽ không bị tắt. Thay vào đó, thiết bị phát hiện được đặt trong buồng kín, được che chắn càng nhiều càng tốt từ các trường điện từ bên ngoài (xem Hình 1).Cần nhấn mạnh rằng nó là cần thiết để bảo vệ bản thân bạn không chỉ từ bức xạ của chính cộng hưởng, mà còn từ nhiều nguồn sóng gigahertz, mà "ether" được lấp đầy trong thời đại của chúng ta. Vì lý do này, ngoài việc kiểm tra nội bộ thể hiện trong hình. 1, toàn bộ cài đặt, cùng với các nam châm bên ngoài tạo ra từ trường mạnh, được bao quanh bởi một lá chắn điện từ khác. Cuối cùng, ngay cả việc truyền dữ liệu từ cảm biến đến máy phân tích và bộ số hóa của tín hiệu không bị bỏ qua. Nó được thực hiện không phải bởi các đường đồng trục kim loại, mà bằng sợi; Do đó, khả năng cuối cùng của bức xạ vi sóng là “rò rỉ” vào thể tích được kiểm tra hoặc ảnh hưởng đến dữ liệu bị bắt đã bị cắt bỏ.

Biện pháp phòng ngừa như vậy đã được thực hiện ở tất cả vì lợi ích của một đánh dấu. Nó rất hữu ích để nhớ lại lịch sử đã bị lãng quên ngay bây giờ với kết quả giật gân của thí nghiệm PVLAS, nguyên nhân của nó, khi nó bật ra một vài năm sau, là các trường điện từ ký sinh "bò" vào buồng thu âm.

Thứ hai, hai thành phần chính của CROWS – bộ phát và detector – được đặt bên trong các bộ cộng hưởng vi sóng (các hình bát giác trong hình 3).Chúng là hai buồng hình trụ đồng khép kín có kích thước khoảng 10 x 15 cm, cũng được chế tạo tại CERN, phản xạ hiệu quả lò vi sóng và do đó giữ chúng bên trong buồng. Bộ cộng hưởng thuận tiện ở chỗ nó cho phép bạn bơm sóng, tích lũy photon, không cho phép chúng bay đi ngay lập tức. Bộ cộng hưởng như thể bắt buộc photon tạo ra nhiều nỗ lực hơn để biến thành các khối u, và cũng làm tăng khả năng biến các visp trở lại thành các photon.

Cuối cùng, trong các thí nghiệm như vậy luôn luôn có nguy cơ không nhìn thấy hiệu ứng do một số loại khiếm khuyết cụ. Để tránh sự giám sát khó chịu này, các nhà thực nghiệm đã cung cấp một tín hiệu kiểm tra. Trực tiếp vào cùng một máy ảnh nơi bộ cảm ứng được lắp đặt, chúng mang một ăng-ten đơn giản và phát ra một sóng rất yếu ở tần số hơi khác với tần số cộng hưởng mong muốn trong toàn bộ phiên – chỉ để nó không chặn bức xạ mong muốn.

CROWS Kết quả

Là một phần của thí nghiệm CROWS, một số phiên 10-30 giờ hoạt động liên tục đã được tiến hành. Trong suốt thời gian này, các bài đọc được lấy từ cảm biến nhạy cảm của các trường điện từ bên trong vùng được che chắn.Tất nhiên, mọi máy dò đều có tiếng ồn bên trong không thể tránh khỏi, vì vậy có thể nói rằng các nhà vật lí đã ghi lại những tiếng ồn phát hiện trong vài giờ. Tuy nhiên, một chuỗi các bài đọc dài như vậy đã làm cho nó có thể với độ chính xác rất cao để thực hiện phân tích quang phổ của những tiếng ồn này và để chọn chính xác tần số cộng hưởng mà tại đó bộ phát làm việc bên ngoài buồng.

Một biểu đồ điển hình của mật độ quang phổ của cảm biến được thể hiện trong hình. 4. Bên trái là một cái nhìn tổng quát về mật độ quang phổ trong vùng lân cận của tần số cộng hưởng, ở giữa – dải tần số hẹp gần với tần số của tín hiệu kiểm tra, ở bên phải – một vùng hẹp gần tần số cộng hưởng. Tín hiệu kiểm tra, mặc dù điểm yếu của nó, có thể nhìn thấy, cho biết hoạt động đáng tin cậy của toàn bộ hệ thống ghi và phân tích, nhưng không có gì hiển thị ở tần số cộng hưởng. Điều này có nghĩa rằng, mặc dù tất cả những nỗ lực, không có Whispers đã được đăng ký trong thí nghiệm này.

Hình 4 Mật độ công suất quang phổ theo các chỉ số cảm biến được ghi lại trong một phiên mười giờ. Ở bên trái: một cái nhìn tổng quát về mật độ quang phổ trong khu vực cộng hoặc trừ 1 kHz từ tần số trung tâm 1739990400 Hz; Các vị trí của tần số của tín hiệu thử và tần số cộng hưởng được gắn nhãn là fthử nghiệmfsys. Phổ này cũng được hiển thị trong một vùng hẹp ± 0,7 mHz gần tần số của tín hiệu thử nghiệm (ở trung tâm) và gần tần số cộng hưởng (bên phải). Hình ảnh từ bài viết trong thảo luận Phys. Rev. D

Trong những con số khô và lịch trình nhàm chán này là một số tiến bộ kỹ thuật ấn tượng. Đầu tiên, chú ý đến quy mô tần số. Tần số cộng hưởng của sóng xấp xỉ 1,7 GHz (con số chính xác được thể hiện trong biểu đồ), và mật độ phổ được đo bằng 30 gia số microhertz (!), Tức là, hàng chục nghìn lần so với tần số sóng mang. Ngay cả ở bước discretization nhỏ như vậy, quang phổ không phải là "bôi nhọ": tiếng ồn vẫn là tiếng ồn tinh khiết, và tín hiệu thử nghiệm là một đỉnh hẹp với chiều rộng là một điểm.

Thứ hai, chú ý đến thang tỷ lệ dọc (nó được chỉ ra ở bên trái). Các giá trị phổ công suất tiêu biểu là -220 dBm. Tiêu chuẩn này cho đơn vị đo lường kỹ thuật vô tuyến cho thấy lượng điện năng đăng ký thấp hơn mức tham chiếu 1 milliwatt; -220 dBm có nghĩa là "22 đơn vị độ lớn nhỏ hơn 1 mW", nghĩa là, nó là một sức mạnh phổ của khoảng 10-25 W. Sức mạnh của bức xạ vi sóng, được bơm vào bộ cộng hưởng, là khoảng 40 watt trong các thí nghiệm được mô tả.Do đó, các thí nghiệm đã chỉ ra rằng ngay cả khi bức xạ vi sóng xâm nhập vào một buồng kín do một số cơ chế, hiệu quả của sự rò rỉ này không vượt quá 10-26.

Hơn nữa, giá trị này được tính toán lại trong giới hạn về độ lớn của kết nối giữa photon và vispami và được vẽ trên biểu đồ. Trong hình. 5 cho thấy kết quả này cho các lý thuyết có photon tối. Một loạt các khu vực màu xám tương ứng với các thí nghiệm trong quá khứ và kết quả của CROWS được hiển thị bằng màu xanh lam. Độ nhạy cao nhất đã đạt được ở một khối lượng photon tối giả định khoảng 11 μeV, tương đương với năng lượng của một photon vi sóng đơn. Ở đây, CROWS đã cải thiện kết quả của các thử nghiệm trong quá khứ gần như bằng một bậc độ lớn.

Hình 5 Các vùng của hai tham số của các photon đen giả định, đóng trong các thí nghiệm khác nhau: khối lượng của chúng, được biểu diễn bằng electron-volt và tham số trộn χ, đặc trưng cho mối liên hệ giữa chúng và các photon thông thường. Khu vực được bao phủ bởi thử nghiệm CROWS mới được hiển thị màu xanh lam. Hình ảnh từ bài viết trong thảo luận Phys. Rev. D

Đối với các axion, ràng buộc thu được bởi CROWS không quá quan trọng; ở đó nó vẫn thua kém một số thí nghiệm khác,cụ thể là CAST thử nghiệm CERN. Tuy nhiên, trong số tất cả các cài đặt phòng thí nghiệm hoàn toàn, CROWS đã trở thành một người nắm giữ kỷ lục trong sự nhạy cảm.

Các tác giả lưu ý rằng thí nghiệm này vẫn còn chỗ để phát triển. Bạn có thể mở rộng các phiên ghi dữ liệu nhiều hơn, bạn có thể giảm tần số bức xạ (bằng cách tăng nồng độ photon), tăng chiều dài của bộ cộng hưởng (tăng khả năng chuyển đổi photon-to-vis) và cuối cùng, tăng giá trị từ trường (cho đến nay thí nghiệm đã sử dụng nam châm siêu dẫn 3 tesla) là một phần của một đơn vị MRI thông thường và được thuê tại Đại học Geneva). Tất cả điều này sẽ làm cho thí nghiệm này trở nên nhạy cảm hơn với vispam giả định, đặc biệt là các axion.

Nguồn: M. Betz et al. Kết quả đầu tiên của CERN Parton eV Particle Search (CROWS) Phys. Rev. D 88, 075014 (2013); Bài viết có sẵn dưới dạng bản in điện tử arXiv: 1310.8098.

Xem thêm:
1) R. Essig et al. Các vùng tối và các hạt mới, ánh sáng, yếu ớt // e-print arXiv: 1311.0029 [hep-ph], xem xét đã chuẩn bị cho cuộc họp Snowmass-2013.
2) J. Jaeckel, A. Ringwald. Đường biên năng lượng thấp của hạt vật lý // Ann. Rev. Nucl. Một phần. 60, 405 (2010); Đánh giá có sẵn dưới dạng bản in điện tử arXiv: 1002.0329.
3) Các hạt vật chất tối siêu nhẹ, vấn đề trên "Yếu tố".

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