Thí nghiệm DAMA vẫn “nhìn thấy” các hạt vật chất tối • Igor Ivanov • Tin khoa học về “Yếu tố” • Vật lý

Thí nghiệm DAMA vẫn “nhìn thấy” các hạt vật chất tối.

Sơ đồ mặt cắt của máy dò DAMA / LIBRA với sàng lọc đa lớp của nó (hình ảnh từ bài báo thảo luận Bộ máy DAMA / LIBRA)

Thí nghiệm Ý DAMA / LIBRA đã công bố phát hiện các hạt vật chất tối. Các chuyên gia không nghi ngờ gì về dữ liệu thử nghiệm trực tiếp, nhưng xa mọi người đồng ý với cách giải thích của họ.

Tiền sử

Dữ liệu vật lý thiên văn cho thấy phần lớn vật chất trong Vũ trụ tồn tại dưới dạng vật chất tối. Nó được gọi là "tối" bởi vì nó "không nhìn thấy" không phải trong sóng vô tuyến, cũng như trong bức xạ nhiệt, cũng không phải trong phạm vi quang học, tia cực tím hoặc tia X. Sự hiện diện của nó chỉ đáng chú ý qua một hiệu ứng hấp dẫn đối với vật chất có thể nhìn thấy – khí liên sao, sao, thiên hà.

Vật chất tối chính xác bao gồm vẫn chưa được biết, nhưng các nhà vật lý thiên văn có khuynh hướng tin rằng thành phần chính của nó là một số loại hạt nặng tương tác rất yếu với vật chất thông thường, wimps (từ tiếng Anh WIMP). hạt lớn tương tác yếu). Chúng tạo thành một đám mây khổng lồ xung quanh mỗi thiên hà, bao gồm cả dải Ngân hà của chúng ta. Hệ mặt trời, di chuyển trong quỹ đạo thiên hà của nó thông qua khí WIMP, nên cảm thấy một cơn gió "vimpovy breeze",và kể từ Trái đất, ngoài việc này, vẫn còn di chuyển quanh Mặt Trời, sau đó, đang ở trên Trái đất, chúng ta sẽ cảm thấy một thứ gì đó mạnh hơn, sau đó là một dòng WIMP yếu hơn, với khoảng thời gian một năm.

Wimps phải tương tác rất yếu với vật chất thông thường, vì vậy hầu hết chúng đều tự do vượt qua trái đất. Tuy nhiên, đôi khi, Wimps vẫn va chạm với hạt nhân nguyên tử sâu trong lõi của một chất, chuyển một phần xung của chúng sang chúng và đôi khi cùng lúc gõ electron ra và gây ra các tia sáng. Tần suất của các va chạm như vậy phụ thuộc vào số lượng các quả bom bay qua Trái đất, vì vậy khi Trái đất di chuyển qua quầng thiên hà, nó sẽ tăng hoặc giảm.

Chuyển động của Mặt trời liên quan đến quầng thiên hà và chuyển động của Trái đất liên quan đến Mặt Trời dẫn đến thực tế là vào ngày 2 tháng 6 tốc độ di chuyển của Trái đất qua hào quang là tối đa.

Đó là cho những biến động hàng năm như vậy trong tần số nhấp nháy trong một máy dò được che chắn hoàn toàn dưới lòng đất trong hơn 10 năm nay, những người tham gia dự án DAMA đã săn bắn. Dự án bao gồm một số thí nghiệm song song, và một trong số đó là DAMA / NaI, những phát hiện này thực sự được phát hiện.Tuy nhiên, báo cáo của những người tham gia thí nghiệm về phát hiện trực tiếp WIMP, do họ tạo ra vào năm 2000, đã được cộng đồng khoa học chấp nhận với sự hoài nghi lớn – các lỗi dữ liệu lớn, và thậm chí việc giải nghĩa dường như cũng rất khó.

Thí nghiệm DAMA / NaI đã được hiện đại hóa và ra mắt vào năm 2003 với tên gọi mới là DAMA / LIBRA. Và gần đây, kết quả đầu tiên của thí nghiệm này đã được công bố tại hội nghị Neutrino Oscillations tại Venice, và cũng xuất hiện trong kho lưu trữ các bản in điện tử: Kết quả đầu tiên từ DAMA / LIBRA và kết quả kết hợp với DAMA / NaI (kết quả), bộ máy DAMA / LIBRA ( mô tả máy dò). Dữ liệu mới hoàn toàn xác nhận các kết quả trước đó, nhưng chúng không làm giảm bớt sự hoài nghi của giới phê bình.

Thử nghiệm và kết quả của nó

100 km từ Rome, sâu ở trung tâm của Gran Sasso, phòng thí nghiệm dưới lòng đất cùng tên thuộc Viện Vật lý hạt nhân quốc gia Ý (INFN). Do sàng lọc tự nhiên (một và một nửa kilômét đá tách nó ra khỏi bề mặt!), Dòng tia vũ trụ trong nó nhỏ hơn một triệu lần so với bề mặt Trái đất. Đó là lý do tại sao nó là lý tưởng cho việc thực hiện các thí nghiệm siêu tinh khiết trong vật lý hạt và vật lý hạt nhân.DAMA / LIBRA – một trong số một nửa tá thử nghiệm chạy đồng thời trong đó.

Trong thí nghiệm DAMA / LIBRA, các máy khử mùi NaI (Tl) bao gồm natri iodua (NaI) với việc bổ sung thallium (Tl) làm chất kích hoạt được chọn làm chất hoạt động. Mỗi scintillator là một thanh tinh thể với khối lượng khoảng 10 kg, trong đó một VIMP, khi nó va chạm với hạt nhân của một chất, sẽ tạo ra một tia sáng. Ánh sáng này được chọn bởi các nhân quang được gắn trên đầu của máy phát, và truyền tín hiệu đến máy tính.

Kích hoạt sai có thể được gây ra không chỉ bởi các tia vũ trụ, mà còn bởi các đồng vị phóng xạ được tìm thấy trong tự nhiên. Để cô lập tối đa thiết bị dò, mỗi tinh thể nhấp nháy được đóng gói trong gạch đồng, và khối bằng những viên gạch này được niêm phong bằng vật liệu cách nhiệt đa lớp từ vật liệu tinh khiết vô tuyến. Các ruột của hộp này được xả bằng nitơ tinh khiết vô tuyến, và nồng độ nền của các đồng vị khó nắm bắt nhất (ví dụ, khí radon trơ) được theo dõi liên tục gần cơ sở. Cuối cùng, nhiệt độ lắp đặt không đổi ở mức gần một phần nghìn độ, và độ nhạy của máy dò được theo dõi thường xuyên bằng cách chiếu xạ với các đồng vị phóng xạ đã biết.

Thí nghiệm DAMA / LIBRA trong hơn bốn năm qua, trên thực tế, chỉ đo được số lượng và năng lượng của sự nhấp nháy nhấp nháy bên trong máy dò. Trung bình, có 1-2 nhấp nháy mỗi ngày cho mỗi kg trọng lượng máy phát và mỗi kiloelectronvolt năng lượng. Giá trị này vẫn không đổi theo thời gian – ngoại trừ vùng năng lượng thấp, 2–6 keV, chỉ cần quan sát thấy vài phần trăm biến động hàng năm. Nếu chúng ta trừ một tín hiệu không đổi từ tất cả các dữ liệu và chỉ để lại thành phần biến, chúng ta sẽ có được một biểu đồ như vậy.

Tần số hoạt động của máy dò với thời gian trôi qua trong vùng năng lượng 2-6 keV. Chỉ phần biến của tín hiệu còn lại sau khi trừ đi nền không đổi được hiển thị. Dọc theo trục ngang đánh dấu ngày kể từ khi bắt đầu thí nghiệm DAMA / NaI; Nửa đầu của biểu đồ chứa kết quả của DAMA / NaI, và sau giờ nghỉ, dữ liệu DAMA / LIBRA được hiển thị. Đường liền nét một hàm hình sin được hiển thị với khoảng thời gian chính xác là 1 năm và cực đại vào ngày 2 tháng 6 (hình ảnh từ bài báo đang thảo luận Kết quả đầu tiên từ DAMA / LIBRA và kết quả kết hợp với DAMA / NaI)

Rõ ràng là độ chính xác của dữ liệu đã tăng lên sau khi nâng cấp. Nếu, sau một hoặc hai năm đầu tiên của thử nghiệm DAMA / NaI, vẫn còn nghi ngờ,nếu tín hiệu này không phải là độ lệch ngẫu nhiên, thì sau 10 chu kỳ hàng năm, nó trở nên rõ ràng rằng phần biến của tín hiệu tuân theo định luật hình sin với khoảng thời gian chính xác là 1 năm và cực đại vào ngày 2 tháng 6. Trong ngôn ngữ khô của số liệu thống kê, ý nghĩa của một tín hiệu vượt quá 8 độ lệch chuẩn, nghĩa là, xác suất mà dữ liệu này chỉ là một trò chơi may rủi là không đáng kể.

Vì vậy, thử nghiệm thấy một điều chế một năm rõ ràng về tần suất của các phản ứng của máy dò, và thậm chí những người hoài nghi cũng không còn tranh cãi với điều này nữa. Nhưng câu hỏi chính vẫn là: lý do cho điều chế này là gì?

Giải thích kết quả

Có vẻ như có rất nhiều lý do tự nhiên cho những biến động theo mùa nhỏ ở mọi quy mô. Tuy nhiên, do sự cô lập đa cấp và giám sát liên tục về phóng xạ dư, các tác giả tin rằng các dao động quan sát được trong thí nghiệm không thể được giải thích bằng bất kỳ quá trình "trần gian" nào. Đó là từ đây mà kết luận của họ sau – những biến động này là kết quả của sự suy yếu theo mùa và tăng cường của "gió vimpovoy".

Có thể một số nguồn không ghi lại vẫn dẫn đến một tín hiệu tương tự? Tác giả nóirằng một nguồn như vậy không được biết đến với chúng – ít nhất là cho tất cả thời gian này, không ai đề xuất bất kỳ cơ chế vật lý nào khác đáp ứng cả ba tiêu chí lựa chọn:

  • tín hiệu phải thay đổi theo luật hình sin với thời gian chính xác là 1 năm và với cực đại vào khoảng ngày 2 tháng 6;
  • tín hiệu chỉ được quan sát ở năng lượng thấp;
  • tín hiệu chỉ nên có mặt trong các sự kiện phát hiện đơn (tức là, không nên có sự kiện trong đó hai hoặc nhiều tinh thể được kích hoạt đồng thời).

Tất cả các nguồn đã biết khác sẽ vi phạm bất kỳ điều kiện nào trong số này. Chúng ta hãy nói, ngay cả khi một dòng tia vũ trụ phá vỡ qua các máy dò được kích hoạt cho phòng thí nghiệm, nó sẽ tạo ra những thay đổi đáng chú ý ở cả năng lượng thấp và cao.

Vậy thì những người hoài nghi không thích? Thực tế là các thí nghiệm tương tự đã được thực hiện ở các phòng thí nghiệm khác trên thế giới, nhưng không có thí nghiệm nào ghi nhận biến động hàng năm. Đúng, một số thí nghiệm dựa trên các phương pháp phát hiện khác nhau, ở những người khác không sử dụng natri iodide, nhưng một chất nhạy cảm khác, và những người khác đơn giản không đạt tới mức độ nhạy cảm với DAMA / LIBRA.Tuy nhiên, các chuyên gia có xu hướng tin rằng nếu gió mạnh như dữ liệu DAMA ngụ ý, thì một số thí nghiệm khác – ví dụ, một thí nghiệm CDMS rất nhạy cảm gần đây đã báo cáo một kết quả tiêu cực – cũng sẽ nhận thấy các hạt vật chất tối.

Điều gì có thể được thực hiện trong tình huống này? Trước hết, chúng ta phải cố gắng thực hiện một thí nghiệm độc lập trong một phòng thí nghiệm khác, nhưng với cùng một máy phát và trong cùng một điều kiện. Thứ hai, nó sẽ rất hữu ích không chỉ để đăng ký thực tế của sự va chạm của WIMP với lõi, mà còn để biết hướng mà từ đó WIMP đến (xem, ví dụ, các kết quả gần đây của máy dò NEWAGE Nhật Bản). Nếu nó chỉ ra rằng hướng đến của các hạt trùng với hướng chuyển động của Mặt Trời qua quầng thiên hà, điều này sẽ trở thành một đối số quan trọng có lợi cho việc diễn giải wimpy của tín hiệu – thực sự, không có hiện tượng mặt đất “cảm nhận” hướng này! Thứ ba, nếu độ nhạy của máy dò được cải thiện liên tục, thì nó sẽ có thể bắt và trợ cấp hàng ngày dao động trong tần số nhấp nháy (sau khi tất cả, trái đất cũng quay quanh trục của nó).Nếu chúng cũng xảy ra với biên độ và pha yêu cầu, thì điều này cũng có thể là một đối số quan trọng có lợi cho việc phát hiện các dấu nháy.

Nguồn:
1) R. Bernabei et al. Kết quả đầu tiên từ DAMA / LIBRA và kết quả kết hợp với DAMA / NaI // preprint arXiv: 0804.2741 (17/04/2008).
2) R. Bernabei et al. Thiết bị DAMA / LIBRA // bản in lại arXiv: 0804.2738 (17/04/2008).
3) R. Bernabei. Kết quả đầu tiên từ DAMA / LIBRA (tệp PowerPoint, 13 Mb) – báo cáo tại hội nghị "Neutrino Oscillations ở Venice».

Xem thêm:
1) Wimping trên blog vật lý tiệc cocktail.
2) Về kết quả DAMA-LIBRA trong blog Một người sống sót Quantum Diaries.

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