Afbeelding tegoed: Fermilab
Met de eerste gegevens van hun ondergrondse observatorium in Noord-Minnesota, hebben wetenschappers van de Cryogene Dark Matter Search met meer gevoeligheid dan ooit tevoren naar het vermoedelijke rijk van de WIMPS gekeken. De waarneming van Zwak Interactie Massieve Deeltjes zou het dubbele mysterie van donkere materie op kosmische schaal en van supersymmetrie op subatomaire schaal kunnen oplossen.
Het CDMS II-resultaat, beschreven in een paper ingediend bij Physical Review Letters, toont met 90 procent zekerheid dat de interactiesnelheid van een WIMP met een massa van 60 GeV minder moet zijn dan 4 x 10-43 cm2 of ongeveer één interactie per 25 dagen per kilogram van germanium, het materiaal in de detector van het experiment. Dit resultaat vertelt onderzoekers meer dan ooit tevoren over WIMPS, als ze bestaan. De metingen van de CDMS II-detectoren zijn minstens vier keer gevoeliger dan de beste eerdere meting die wordt aangeboden door het EDELWEISS-experiment, een ondergronds Europees experiment nabij Grenoble, Frankrijk.
"Beschouw deze verbeterde gevoeligheid als een nieuwe telescoop met tweemaal de diameter en dus vier keer de lichtcollectie van de voorgaande", aldus CDMS II-woordvoerder Blas Cabrera van Stanford University. “We kunnen nu zoeken naar een signaal dat slechts een kwart zo helder is als we ooit hebben gezien. We verwachten de komende jaren onze gevoeligheid met een factor 20 of meer te verbeteren. ”
De resultaten worden gepresenteerd op de aprilbijeenkomst van de American Physical Society op 3 en 4 mei in Denver door Harry Nelson en afgestudeerde student Joel Sanders, beide van de University of California-Santa Barbara, en door Gensheng Wang en Sharmila Kamat van Case Western Reserve universiteit.
'We weten dat noch ons standaardmodel voor deeltjesfysica, noch ons model van de kosmos compleet is', zegt CDMS II-woordvoerder Bernard Sadoulet van de University of California in Berkeley. 'Dit missende stuk lijkt in beide puzzels te passen. We zien dezelfde vorm vanuit twee verschillende richtingen. ”
WIMP's, die geen kosten met zich meebrengen, zijn een onderzoek in tegenstrijdigheden. Hoewel natuurkundigen verwachten dat ze ongeveer 100 keer de massa van protonen hebben, kunnen ze door hun spookachtige aard door gewone materie glippen en nauwelijks een spoor achterlaten. De term 'zwak interactie' verwijst niet naar de hoeveelheid energie die wordt afgezet wanneer ze in wisselwerking staan met normale materie, maar eerder naar het feit dat ze zeer zelden interageren. In feite kunnen er wel honderd miljard WIMP's door je lichaam zijn gestroomd terwijl je deze eerste paar zinnen las.
Met 48 wetenschappers van 13 instellingen, plus nog eens 28 technische, technische en administratieve stafleden, werkt CDMS II met financiering van het Office of Science van het Amerikaanse Department of Energy, van de afdelingen Astronomy and Physics van de National Science Foundation en van aangesloten instellingen. Het Fermi National Accelerator Laboratory van de DOE verzorgt het projectbeheer voor CDMS II.
"De aard van donkere materie is fundamenteel voor ons begrip van de vorming en evolutie van het universum", zegt Dr. Raymond L. Orbach, directeur van DOE's Office of Science. "Dit experiment had niet kunnen slagen zonder de actieve medewerking van de DOE’s Office of Science en de National Science Foundation."
Michael Turner, adjunct-directeur voor wiskunde en natuurwetenschappen bij NSF, beschreef het identificeren van het bestanddeel van de donkere materie als een van de grote uitdagingen in zowel de astrofysica als de deeltjesfysica.
'Donkere materie houdt alle structuren in het universum bij elkaar - inclusief onze eigen Melkweg - en we weten nog steeds niet waaruit de donkere materie is gemaakt', zei Turner. “De werkhypothese is dat het een nieuwe vorm van materie is die, indien correct, licht zal werpen op de innerlijke werking van de elementaire krachten en deeltjes. Bij het nastreven van de oplossing voor deze belangrijke puzzel, staat CDMS nu aan het hoofd van het peloton, met nog een factor van 20 in gevoeligheid die nog moet komen. ”
Donkere materie in het heelal wordt gedetecteerd door zijn zwaartekrachteffecten op alle kosmische schalen, van de groei van de structuur in het vroege heelal tot de stabiliteit van sterrenstelsels vandaag. Kosmologische gegevens van veel bronnen bevestigen dat deze onzichtbare donkere materie in totaal meer dan zeven keer de hoeveelheid gewone zichtbare materie bedraagt die de sterren, planeten en andere objecten in het universum vormt.
'Iets daarbuiten vormde de sterrenstelsels en houdt ze vandaag bij elkaar, en het zendt noch absorbeert licht', zei Cabrera. "De massa van de sterren in een melkwegstelsel is slechts 10 procent van de massa van de hele melkweg, dus de sterren zijn als kerstboomlichten die de woonkamer van een groot donker huis versieren."
Natuurkundigen geloven ook dat WIMP's de tot nu toe niet-waargenomen subatomaire deeltjes zijn die neutralino's worden genoemd. Dit zou het bewijs zijn voor de theorie van supersymmetrie en intrigerende nieuwe fysica introduceren die verder gaat dan het huidige standaardmodel van fundamentele deeltjes en krachten.
Supersymmetrie voorspelt dat elk bekend deeltje een supersymmetrische partner heeft met complementaire eigenschappen, hoewel tot nu toe geen van deze partners is waargenomen. Veel supersymmetrische modellen voorspellen echter dat het lichtste supersymmetrische deeltje, de neutralino genaamd, een massa heeft die ongeveer 100 keer zo groot is als die van het proton.
"Theoretici bedachten al deze zogenaamde 'supersymmetrische partners' van de bekende deeltjes om problemen op de kleinste afstandsschalen te verklaren," zei Dan Akerib van Case Western Reserve University. "In een van die fascinerende verbindingen van de zeer grote en de zeer kleine, kan de lichtste van deze superpartners het ontbrekende stukje van de puzzel zijn om uit te leggen wat we waarnemen op de grootste afstandsschalen."
Het CDMS II-team beoefent 'ondergrondse astronomie' met deeltjesdetectoren die zich bijna een halve mijl onder het aardoppervlak bevinden in een voormalige ijzermijn in Soudan, Minnesota. De 2,341 voet van de aardkorst beschermt kosmische stralen en de achtergronddeeltjes die ze produceren. De detectoren zijn gemaakt van germanium en silicium, halfgeleiderkristallen met vergelijkbare eigenschappen. De detectoren zijn gekoeld tot op een tiende van een graad van absoluut nul, zo koud dat de moleculaire beweging verwaarloosbaar wordt. De detectoren meten gelijktijdig de lading en trillingen die worden veroorzaakt door deeltjesinteracties in de kristallen. WIMPS signaleert hun aanwezigheid door minder lading vrij te geven dan andere deeltjes voor dezelfde hoeveelheid trillingen.
"Onze detectoren werken als een telescoop die is uitgerust met filters waarmee astronomen de ene lichtkleur van de andere kunnen onderscheiden", zegt CDMS II-projectmanager Dan Bauer van Fermilab. "Alleen, in ons geval proberen we conventionele deeltjes uit te filteren ten gunste van donkere materie WIMPS."
Fysicus Earl Peterson van de Universiteit van Minnesota houdt toezicht op het Soudan Underground Laboratory, waar ook Fermilabs langlopende neutrino-experiment, de Main Injector Neutrino Oscillation Search, wordt uitgevoerd.
"Ik ben enthousiast over het belangrijke nieuwe resultaat van CDMS II en ik feliciteer de samenwerking", aldus Peterson. "Ik ben blij dat de faciliteiten van het Soudan-laboratorium hebben bijgedragen aan het succes van CDMS II. En ik ben vooral blij dat het werk van Fermilab en de Universiteit van Minnesota bij de uitbreiding van het Soudan-laboratorium heeft geresulteerd in fantastische nieuwe fysica. "
Terwijl CDSMII de komende jaren naar WIMP's zoekt, zal ofwel de donkere materie van ons universum worden ontdekt, ofwel zal een groot aantal supersymmetrische modellen worden uitgesloten. Hoe dan ook, het CDMS II-experiment zal een belangrijke rol spelen bij het vergroten van ons begrip van de deeltjesfysica en de kosmos.
De CDMS II-samenwerkende instellingen omvatten Brown University, Case Western Reserve University, Fermi National Accelerator Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, de National Institutes of Standards and Technology, Princeton University, Santa Clara University, Stanford University, de University of California-Berkeley, de University of California-Santa Barbara, de University of Colorado in Denver, de University of Florida en de University of Minnesota.
Fermilab is een DOE Office of Science nationaal laboratorium dat onder contract wordt beheerd door Universities Research Association, Inc.
Oorspronkelijke bron: Fermilab News Release
