Ik wil alles weten

Zwak op elkaar inwerkende massieve deeltjes

Pin
Send
Share
Send


Dit artikel gaat over de hypothetische klasse van deeltjes.
"WIMP's" worden hier omgeleid.

In astrofysica, zwak in wisselwerking staande massieve deeltjes, of WIMPs, zijn hypothetische deeltjes die dienen als een mogelijke oplossing voor het probleem van de donkere materie. Ze worden beschouwd als een van de belangrijkste kandidaten voor 'koude donkere materie'.

Deze deeltjes werken samen via de zwakke kernkracht en zwaartekracht, en mogelijk via andere interacties die niet sterker zijn dan de zwakke kracht. Omdat ze niet interageren met elektromagnetisme, kunnen ze niet direct worden gezien, en omdat ze niet interageren door de sterke nucleaire kracht, reageren ze niet sterk met atoomkernen. Deze combinatie van eigenschappen geeft WIMP's veel van de eigenschappen van neutrino's, behalve dat ze veel massiever en dus langzamer zijn.

Theoretische argumenten

Hoewel het bestaan ​​van WIMP's in de natuur op dit moment hypothetisch is, zou het een aantal astrofysische en kosmologische problemen met betrekking tot donkere materie oplossen. De belangrijkste theoretische kenmerken van WIMP's zijn:

  • Ze werken alleen samen via de zwakke nucleaire kracht en zwaartekracht, of tenminste met interactiedoorsneden die niet hoger zijn dan de zwakke schaal.
  • Ze hebben een grote massa in vergelijking met standaarddeeltjes. (WIMP's met sub-GeV-massa's kunnen worden aangeduid als Light Dark Matter.)

Vanwege hun gebrek aan interactie met normale materie, zouden ze donker en onzichtbaar zijn door normale elektromagnetische waarnemingen. Vanwege hun grote massa zouden ze relatief langzaam bewegen en daarom koud zijn. Als gevolg hiervan zouden ze de neiging hebben om klonterig te blijven. Simulaties van een universum vol koude donkere materie produceren melkwegverdelingen die ongeveer overeenkomen met wat wordt waargenomen. WIMP's worden beschouwd als een van de belangrijkste kandidaten voor 'koude donkere materie', de andere zijn massieve astrofysische compacte halo-objecten (MACHO's). (Deze namen zijn bewust gekozen voor contrast, waarbij MACHO's later zijn genoemd dan WIMP's).

Ook zijn er, in tegenstelling tot MACHO's, geen bekende deeltjes in het standaardmodel van deeltjesfysica die alle eigenschappen van WIMP's hebben. De deeltjes die weinig interactie hebben met normale materie, zoals neutrino's, zijn allemaal erg licht en zouden daarom snel bewegen of heet zijn. Hete donkere materie zou de grootschalige structuur van sterrenstelsels smeren en wordt daarom niet als een levensvatbaar kosmologisch model beschouwd. WIMP-achtige deeltjes worden voorspeld door R-pariteitbehoudende supersymmetrie, een populair type uitbreiding van het standaardmodel, hoewel geen van het grote aantal nieuwe deeltjes in supersymmetrie is waargenomen.

Experimentele detectie

Omdat WIMP's alleen kunnen interageren door zwaartekracht en zwakke krachten, zijn ze uiterst moeilijk te detecteren. Er zijn momenteel echter veel experimenten gaande om te proberen WIMP's zowel direct als indirect te detecteren. Hoewel voorspelde verstrooiingssnelheden voor WIMP's uit kernen significant zijn voor grote detector-doelmassa's, is voorspeld dat halo WIMP's, als ze door de zon passeren, kunnen interageren met zonne-protonen en heliumkernen. Een dergelijke interactie zou ervoor zorgen dat een WIMP energie verliest en "gevangen" wordt door de zon. Naarmate meer en meer WIMP's in de zon worden gethermiseerd, beginnen ze elkaar te vernietigen en vormen ze een verscheidenheid aan deeltjes, waaronder energierijke neutrino's.1 Deze neutrino's kunnen vervolgens naar de aarde reizen om te worden gedetecteerd in een van de vele neutrinotelescopen, zoals de Super-Kamiokande-detector in Japan. Het aantal neutrino-gebeurtenissen dat per dag wordt gedetecteerd bij deze detectoren, is afhankelijk van de eigenschappen van de WIMP en van de massa van het Higgs-boson. Soortgelijke experimenten zijn aan de gang om neutrino's van WIMP-vernietigingen op aarde te detecteren2 en vanuit het galactische centrum.34

Het is belangrijk op te merken dat, hoewel de meeste WIMP-modellen aangeven dat een voldoende groot aantal WIMP's in grote hemellichamen zou worden gevangen om deze experimenten te laten slagen, het mogelijk blijft dat deze modellen onjuist zijn of slechts een deel van het fenomeen van de donkere materie verklaren . Dus zelfs met de meerdere experimenten die gericht zijn op het bieden indirect bewijs voor het bestaan ​​van 'koude donkere materie' direct detectiemetingen zijn ook nodig om de theorie van WIMP's te verstevigen.

Hoewel verwacht wordt dat de meeste WIMP's die de zon of de aarde tegenkomen, zonder enig effect zullen passeren, wordt gehoopt dat een groot aantal donkere materie WIMP's die een voldoende grote detector kruisen vaak genoeg zullen interageren om te worden gezien - ten minste een paar gebeurtenissen per jaar. De algemene strategie van de huidige pogingen om WIMP's te detecteren, is het vinden van zeer gevoelige systemen die kunnen worden opgeschaald naar grote volumes. Dit volgt op de lessen die zijn getrokken uit de geschiedenis van de ontdekking en (inmiddels) routinematige detectie van de neutrino.

CDMS-parameterruimte uitgesloten vanaf 2004. Het DAMA-resultaat bevindt zich in een groen gebied en is niet toegestaan.

Een techniek die wordt gebruikt door de cryogene Dark Matter Search (CDMS) -detector in de Soudan Mine vertrouwt op meerdere zeer koude germanium- en siliciumkristallen. De kristallen (elk ongeveer de grootte van een hockeypuck) worden afgekoeld tot ongeveer 50 millikelvin. Een laag metaal (aluminium en wolfraam) aan de oppervlakken wordt gebruikt om een ​​WIMP te detecteren die door het kristal gaat. Dit ontwerp hoopt trillingen te detecteren in de kristalmatrix die wordt gegenereerd door een atoom dat door een WIMP wordt 'geschopt'. De wolfraammetaalsensoren worden op de kritische temperatuur gehouden, zodat ze in supergeleidende toestand zijn. Grote kristaltrillingen genereren warmte in het metaal en zijn detecteerbaar vanwege een verandering in weerstand.

De samenwerking met Directional Recoil Identification From Tracks (DRIFT) probeert de voorspelde directionaliteit van het WIMP-signaal te gebruiken om het bestaan ​​van WIMP's te bewijzen. DRIFT-detectoren gebruiken een 1m3 volume lagedruk koolstofdisulfidegas als doelmateriaal. Het gebruik van een lagedrukgas betekent dat een WIMP die tegen een atoom in het doel botst, het enkele millimeters terugspoelt en een spoor van geladen deeltjes in het gas achterlaat. Dit geladen spoor is afgedreven naar een MWPC-uitleesvlak waarmee het kan worden gereconstrueerd in drie dimensies, die vervolgens kunnen worden gebruikt om de richting te bepalen waar de WIMP vandaan kwam.

Een andere manier om atomen te detecteren die door een WIMP zijn "omgegooid", is door sprankelend materiaal te gebruiken, zodat lichtpulsen door het bewegende atoom worden gegenereerd. Het DEAP-experiment is van plan om een ​​zeer grote doelmassa van vloeibaar argon te instrumenteren voor een gevoelige WIMP-zoekopdracht bij SNOLAB.

Een ander voorbeeld van deze techniek is de DAMA / NaI-detector in Italië. Het gebruikt meerdere materialen om valse signalen van andere lichtcreërende processen te identificeren. Bij dit experiment werd een jaarlijkse verandering waargenomen in de snelheid van signalen in de detector. Deze jaarlijkse modulatie is een van de voorspelde handtekeningen van een WIMP-signaal,56 en op basis hiervan heeft de DAMA-samenwerking een positieve detectie geclaimd. Andere groepen hebben dit resultaat echter niet bevestigd. De CDMS- en EDELWEISS-experimenten zouden naar verwachting een aanzienlijk aantal WIMP-kernverstrooiingen waarnemen als het DAMA-signaal in feite door WIMP's werd veroorzaakt. Aangezien de andere experimenten deze gebeurtenissen niet zien, kan de interpretatie van het DAMA-resultaat als een WIMP-detectie worden uitgesloten voor de meeste WIMP-modellen. Het is mogelijk om modellen te bedenken die een positief DAMA-resultaat verzoenen met de andere negatieve resultaten, maar naarmate de gevoeligheid van andere experimenten verbetert, wordt dit moeilijker. De CDMS-gegevens, opgenomen in de Soudan-mijn en openbaar gemaakt in mei 2004, sluiten het gehele DAMA-signaalgebied uit, gezien bepaalde standaardaannames over de eigenschappen van de WIMP's en de halo van de donkere materie.

Zie ook

  • Donkere materie
  • Fundamentele interactie
  • MACHO
  • Er toe doen
  • Neutrino

Notes

  1. ↑ Ferrer, F., L. Krauss en S. Profumo. 2006. Indirecte detectie van lichte neutrale donkere materie in de NMSSM. Phys.Rev. D74: 115.007. Ontvangen op 15 januari 2009.
  2. ↑ Freese, K. 1986. Kunnen Scalar Neutrinos Of Massive Dirac Neutrinos de ontbrekende mis zijn ?. Phys.Lett. B167: 295. Ontvangen op 15 januari 2009.
  3. ↑ Carr, J., G. Lamanna en J. Lavalle. 2006. Indirecte detectie van donkere materie. Rep. Prog. Phys. 69:2475-2512.
  4. ↑ Fornengo, N. 2008. Status en perspectieven van indirect en direct zoeken naar donkere materie. 36e COSPAR Wetenschappelijke Vergadering, Beijing, China, 16-23 juli 2006. Adv. Space Res. 41: 2010-2018. Ontvangen op 15 januari 2009.
  5. ↑ Drukier, A., K. Freese en D. Spergel. 1986. Kandidaten voor koude, donkere materie detecteren. Phys.Rev. D33: 3495-3508.
  6. ↑ Freese, K., J. Frieman en A. Gould. 1988. Signaalmodulatie bij detectie van koude donkere materie. Phys. Rev. D37: 3388. Ontvangen op 15 januari 2009.

Referenties

  • Freeman, Ken en Geoff McNamara. 2006. Op zoek naar donkere materie. Springer-Praxis-boeken in populaire astronomie. Berlijn: Springer. ISBN 978-0387276168
  • Nicolson, Iain. 2007. Dark Side of the Universe: Dark Matter, Dark Energy, and the Fate of the Cosmos. Baltimore, MD: Johns Hopkins University Press. ISBN 978-0801885921
  • Seymour, Percy. 2008. Dark Matters: Unifying Matter, Dark Matter, Dark Energy en het Universal Grid. Franklin Lakes, NJ: New Page Books. ISBN 978-1601630063

Externe links

Alle links zijn opgehaald op 10 augustus 2013.

  • Eidelman, S., et al. (Deeltjesgegevensgroep). 2004. WIMP's en andere deeltjeszoekopdrachten. Phys. Lett. B 592: 1.
  • Sumner, Timothy J. 2002. Experimentele zoekopdrachten naar donkere materie. Levende beoordelingen in relativiteit.
  • Cryogene donkere materie zoeken.
  • COUPP Experiment - E961.
  • CRESST - Een experiment op zoek naar donkere materie.
  • Het DAMA-project.
  • DEAP-1.
  • WARP.
  • XENON Dark Matter Project.
  • ZEPLIN-III WIMP-zoekopdrachten.

Pin
Send
Share
Send