【暗物质探测器】然而 新探测器却未能证实暗物质的潜在证据!

2019-11-25 - 暗物质

大约20年前意大利格兰萨索国家实验室的DAMA/LIBRA实验开始公布数据,显示它已经探测到与银河系暗物质晕相互作用产生的信号调制。据信暗物质约占已知宇宙的27%,而普通物质仅占4%。剩下的69%被认为是由暗能量构成的。

【暗物质探测器】然而 新探测器却未能证实暗物质的潜在证据!
【暗物质探测器】然而 新探测器却未能证实暗物质的潜在证据!

由于暗物质与普通物质的相互作用很弱,迄今为止,人们只能从恒星、星系和星系团等可见天体的引力效应中推断出暗物质的存在。根据最广为接受的模型,地球、太阳和星系自身的联合运动,对地球上的观测者来说,产生了一种暗物质风——更确切地说,是一种由相互作用较弱的大质量粒子或大质量弱相互作用粒子(WIMPs)构成的风,这些粒子被认为是构成暗物质的假想粒子。

【暗物质探测器】然而 新探测器却未能证实暗物质的潜在证据!
【暗物质探测器】然而 新探测器却未能证实暗物质的潜在证据!

博科园-科学科普:在地球围绕太阳的年度轨道中,探测器与弱相互作用大质量粒子相互作用的信号,当行星向风的相反方向运动时增加,当它们向同一方向运动时减少,波动是余弦曲线。DAMA/LIBRA人事部门表示,他们已经探测到信号的速率在一年当中随着余弦波的变化而变化,并且它们对应着暗物质的特征。

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【暗物质探测器】然而 新探测器却未能证实暗物质的潜在证据!

问题是,自从这一发现首次公布以来,还没有任何其他实验证实过这一特征。应该强调的是,其他实验使用不同的材料和分析技术。为了检验DAMA/LIBRA数据与其他实验数据之间的差异,并寻找暗物质存在的有力证据,cosin -100在韩国阳阳地下实验室y2l地下700米处建造。

2018年12月发表在《自然》上的一篇文章展示了COSINE-100前59.5天数据的结果。Nelson Carlin Filho,圣保罗大学物理研究所(IF-USP)教授和两名监督者共同参与了COSINE-100国际合作。

COSINE-100前59.5天的结果未能证实来自DAMA/LIBRA的数据。得到的结果与弱相互作用大质量粒子特征不符。卡林强调,这一负面发现尤其重要,因为DAMA/LIBRA和cos -100都使用由碘化钠(Nal)晶体制成的探测器。

这是首次发表的由这种材料组成探测器的发现,这种探测器具有足够的尺寸和灵敏度来研究DAMA/LIBRA信号区域。并不是说DAMA/LIBRA的研究人员错了,它们可能捕获了实际信号中的周期调制。

然而除非暗物质模型得到显著修改,否则这些信号极不可能归因于与弱相互作用大质量粒子的相互作用。无论如何,工作才刚刚开始。在完全证实或驳斥达玛/天秤座声称的年度调制之前,还需要几年的数据。COSINE-100探测器由8个掺铊的碘化钠晶体组成,总质量为106公斤。

每个晶体都与两个光电倍增管耦合,以测量晶体中沉积的能量。整个阵列浸没在2200升液体闪烁体中,周围环绕着铜、铅和塑料闪烁体面板。所有这些屏蔽的目的(以及在地下700米安装探测器的决定)是为了减少由宇宙射线(μ介子)、宇宙背景辐射(来自原始宇宙的光子,在微波波段被探测到)和探测器材料发射的粒子所造成干扰。

观察暗物质粒子和探测器材料之间相互作用的可能性很小。除了屏蔽,重要的是分析信号的形状,以排除背景的影响。

基于使用暗物质晕的标准模型进行高度复杂的统计处理,以及蒙特卡罗模拟和其他资源,cos -100定义了一条曲线,该曲线被认为是探测材料中WIMPs与原子核相互作用的“排除极限”。这一极限证实并微调了先前实验所确定的极限。

这条曲线是用二维笛卡尔坐标系绘制。wip -核子散射截面在y轴上,简单表示相互作用的概率,WIMP质量在x轴上。任何坐标可以绘制在排除界限以下事件都是候选的wimp -核子相互作用。它上面的任何事件都不能满足按照模型进行交互的必要条件。

达玛/天秤座的信号超出了限制,请注意,除了使用与DAMA/LIBRA[碘化钠晶体]相同材料制成的检测器外,cos -100还使用了类似的事件选择技术。这减少了由于实验差异而导致的结果差异。没有发现暗物质,发现DAMA/LIBRA的测量结果与暗物质晕的标准模型不一致。

暗物质理论

现在科学界普遍认为暗物质是存在的。1933年瑞士天文学家弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky, 1898-1974)在对银河系自转速度的研究中发现了第一个证据。兹威基意识到,根据观测到的发光质量,星系的自转速度比它们本应达到的速度要快。

他还提出,另一种物质——他称之为“dunkle materie”(德语为“暗物质”)的引力作用,肯定在影响着这些速度。20世纪70年代,美国天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin, 1928-2016)在一项星系自转速度的系统研究中证实了兹威基的假设。

鲁宾的严谨计算得到了后续研究证实,结果表明,相关星系的暗物质含量至少是正常物质的5到10倍。今天,基于星系的旋转速度和其他证据,比如爱因斯坦首先提出的引力透镜效应,以及背景微波辐射,宇宙组成的公认比例大约是4%的正常物质,27%的暗物质和69%的暗能量。

如果暗物质的存在被广泛接受,现在的问题是确定它是由什么组成。基于wimp模型仍然是最广泛接受的模型。这种粒子被认为只通过重力和弱核力与正常物质相互作用。这大概就是为什么它们没有被持续检测到的原因。由于未能探测到大质量弱相互作用粒子,科学家们提出了轴子和暗光子等替代方案。

没有什么能阻止暗物质由几种不同的元素组成,还有许多工作要做,cos -100仍然在进行第一步。下一步,也是很重要的一步,是尝试再现年调制或者证明它不能再现。这实际上正在进行中。也在准备实验的第二阶段,cosin -200,用200公斤的晶体,安装在韩国的另一个地方。

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