Billedkredit: Fermilab
Med de første data fra deres underjordiske observatorium i det nordlige Minnesota har forskere fra Cryogenic Dark Matter Search kigget med større følsomhed end nogensinde før i den formodede verden af WIMPS. Synet af svagt interagerende massive partikler kunne løse det dobbelte mysterium med mørkt stof i den kosmiske skala og supersymmetri i den subatomære skala.
CDMS II-resultatet, beskrevet i et papir, der blev forelagt til Physical Review Letters, viser med 90 procents sikkerhed, at interaktionshastigheden for en WIMP med masse 60 GeV skal være mindre end 4 x 10-43 cm2 eller ca. en interaktion hver 25 dage pr. Kg af germanium, materialet i eksperimentets detektor. Dette resultat fortæller forskere mere end de nogensinde har kendt før om WIMPS, hvis de findes. Målingerne fra CDMS II-detektorerne er mindst fire gange mere følsomme end den bedste tidligere måling, der blev tilbudt af EDELWEISS-eksperimentet, et underjordisk europæisk eksperiment nær Grenoble, Frankrig.
”Tænk på denne forbedrede følsomhed som et nyt teleskop med dobbelt diameter og dermed fire gange lysindsamlingen af alt, hvad der kom før det,” sagde CDMS II cospokesperson Blas Cabrera fra Stanford University. ”Vi er nu i stand til at lede efter et signal, der bare er en fjerdedel så lyst som noget, vi har set før. I de næste par år forventer vi at forbedre vores følsomhed med en faktor på 20 eller mere. ”
Resultaterne præsenteres på aprilmødet i American Physical Society den 3. og 4. maj i Denver af Harry Nelson og kandidatstuderende Joel Sanders, begge fra University of California-Santa Barbara, og af Gensheng Wang og Sharmila Kamat fra Case Western Reserve University.
”Vi ved, at hverken vores standardmodel for partikelfysik eller vores model for kosmos er komplet,” sagde talsmand for CDMS II, Bernard Sadoulet fra University of California i Berkeley. ”Dette særlige manglende stykke ser ud til at passe til begge gåder. Vi ser den samme form fra to forskellige retninger. ”
WIMP'er, der ikke betaler noget, er en undersøgelse i modsigelser. Mens fysikere forventer, at de skal have omkring 100 gange massen af protoner, giver deres spøgelsesrige natur dem mulighed for at glide gennem almindeligt stof og kun knap spor. Udtrykket "svagt interagerende" henviser ikke til den mængde energi, der er deponeret, når de interagerer med normalt stof, men snarere til det faktum, at de interagerer ekstremt sjældent. Faktisk kan så mange som hundrede milliarder WIMP'er have strømmet gennem din krop, når du læste disse første par sætninger.
Med 48 videnskabsfolk fra 13 institutioner plus yderligere 28 ingeniører, tekniske og administrative medarbejdere, arbejder CDMS II med finansiering fra Office of Science i U.S. Department of Energy, fra Astronomi og fysik afdelinger fra National Science Foundation og fra medlemsinstitutioner. DOE's Fermi National Accelerator Laboratory leverer projektledelsen til CDMS II.
”Arten af mørk stof er grundlæggende for vores forståelse af universets dannelse og udvikling,” sagde Dr. Raymond L. Orbach, direktør for DOE's Office of Science. ”Dette eksperiment kunne ikke have været en succes uden det aktive samarbejde mellem DOE's Office of Science og National Science Foundation.”
Michael Turner, assisterende direktør for matematik og fysiske videnskaber ved NSF, beskrev at identificere bestanddelen af det mørke stof som en af de store udfordringer i både astrofysik og partikelfysik.
”Mørk materie samler alle strukturer i universet - inklusive vores egen Mælkevej - og vi ved stadig ikke, hvad den mørke stof er lavet af,” sagde Turner. ”Arbejdshypotesen er, at det er en ny form for stof, der, hvis det er korrekt, vil kaste lys over de indre kræfter og partikler. Når vi forfølger løsningen på dette vigtige puslespil, er CDMS nu i spidsen for pakken, med en anden faktor på 20 i følsomhed, der stadig skal komme.
Mørkt stof i universet detekteres gennem dets gravitationseffekter på alle kosmiske skalaer, fra vækst af struktur i det tidlige univers til stabiliteten af galakser i dag. Kosmologiske data fra mange kilder bekræfter, at denne usynlige mørke stof er mere end syv gange mængden af almindeligt synligt stof, der danner stjerner, planeter og andre objekter i universet.
”Noget derude dannede galakserne og holder dem sammen i dag, og det hverken udsender eller absorberer lys,” sagde Cabrera. "Stjernenes masse i en galakse er kun 10 procent af massen af hele galaksen, så stjernerne er som juletræbelysning, der dekorerer stuen i et stort mørkt hus."
Fysikere mener også, at WIMP'er kan være de endnu ikke observerede subatomære partikler kaldet neutralino. Disse ville være bevis for teorien om supersymmetri, der introducerer spændende ny fysik ud over dagens standardmodel for grundlæggende partikler og kræfter.
Supersymmetry forudsiger, at hver kendt partikel har en supersymmetrisk partner med komplementære egenskaber, skønt ingen af disse partnere endnu er blevet observeret. Imidlertid forudsiger mange modeller af supersymmetri, at den letteste supersymmetriske partikel, kaldet neutralino, har en masse omkring 100 gange protonens.
"Teoretikere kom med alle disse såkaldte 'supersymmetriske partnere' af de kendte partikler for at forklare problemer på de mindste afstand," sagde Dan Akerib fra Case Western Reserve University. "I en af disse fascinerende forbindelser mellem de meget store og de meget små, kunne de letteste af disse superpartnere være det manglende stykke af puslespillet til at forklare, hvad vi observerer på de meget største afstandskalaer."
CDMS II-teamet praktiserer "underjordisk astronomi" med partikeldetektorer placeret næsten en halv kilometer under jordoverfladen i en tidligere jerngruve i Soudan, Minnesota. Jordskorpens 2.341 fod afskærmer kosmiske stråler og de baggrundspartikler, de producerer. Detektorerne er lavet af germanium og silicium, halvlederkrystaller med lignende egenskaber. Detektorerne afkøles til inden for en tiendedel af en grad af absolut nul, så koldt, at molekylær bevægelse bliver ubetydelig. Detektorerne måler samtidig ladningen og vibrationen frembragt ved partikelinteraktioner i krystallerne. WIMPS signaliserer deres tilstedeværelse ved at frigive mindre ladning end andre partikler for den samme mængde vibrationer.
”Vores detektorer fungerer som et teleskop udstyret med filtre, der gør det muligt for astronomer at skelne en farve på lys fra en anden,” sagde CDMS II-projektleder Dan Bauer fra Fermilab. "Kun i vores tilfælde forsøger vi at filtrere traditionelle partikler til fordel for WIMPS med mørkt stof."
Fysiker Earl Peterson fra University Minnesota fører tilsyn med Soudan Underground Laboratory, som også er hjemsted for Fermilabs neutrinoxperiment med lang basislinje, hovedinjektorens Neutrino Oscillation Search.
”Jeg er begejstret for det markante nye resultat fra CDMS II, og jeg lykønsker samarbejdet,” sagde Peterson. ”Jeg er glad for, at Soudan-laboratoriets faciliteter har bidraget til succes med CDMS II. Og jeg er især glad for, at Fermilabs og University of Minnesotas arbejde med at udvide Soudan-laboratoriet har ført til fremragende ny fysik. ”
Når CDSMII søger efter WIMP'er i de næste par år, vil enten det mørke stof i vores univers blive opdaget, eller et stort udvalg af supersymmetriske modeller vil blive udelukket fra muligheden. Uanset hvad vil CDMS II-eksperimentet spille en vigtig rolle i at fremme vores forståelse af partikelfysik og kosmos.
CDMS II-samarbejdsinstitutionerne inkluderer Brown University, Case Western Reserve University, Fermi National Accelerator Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, National Institute of Standards and Technology, Princeton University, Santa Clara University, Stanford University, University of California-Berkeley, the University of California-Santa Barbara, University of Colorado i Denver, University of Florida og University of Minnesota.
Fermilab er et DOE Office of Science nationalt laboratorium, der drives under kontrakt af Universities Research Association, Inc.
Original kilde: Fermilab nyhedsmeddelelse
