Қарқыраған қара материяны іздеу эксперименттері сериясы

Кіріспе

Физикалық зерттеу эксперименті
Криогендік қараңғы материяны іздеу (CDMS) – әлсіз өзара әрекеттесетін массивті бөлшектер (немесе WIMP) нысанындағы бөлшекті қараңғы материяны тікелей анықтауға бағытталған эксперименттер сериясы. Милликельвин температурасындағы жартылай өткізгіш детекторлар жиынтығын пайдалана отырып, CDMS кейде WIMP қараңғы материясының жердегі материалдармен өзара әрекеттесуіне ең жоғары сезімтал шектемелер қойды (2018 жылға дейін CDMS шектемелері ең жоғары сезімтал болмады). Алғашқы эксперимент, CDMS I, Стэнфорд университетінің кампусы астындағы туннельде өткізілді. Одан кейін Судан кенішінде CDMS II эксперименті жүргізілді. Ең соңғы эксперимент, SuperCDMS (немесе SuperCDMS Soudan), Миннесота штатының солтүстігіндегі Судан кенішінде терең жер астында орналастырылды және 2011 жылдан 2015 жылға дейін деректер жинады. Эксперименттер сериясы SuperCDMS SNOLAB экспериментімен жалғасуда, ол Канаданың Онтарио штатындағы Садбери қаласының жанында орналасқан SNOLAB кешенінде орналасқан. Оның құрылысы 2018 жылы басталды және 2020 жылдардың басында деректерді жинауды бастау күтілуде.

Өмірбаян

Ғаламның ірі масштабты құрылымын бақылаулар материяның өзінің гравитациялық күшімен қалыптасуға уақыт жетпеген өте үлкен құрылымдарға жиналғандығын көрсетеді. Бұл масштабтарда гравитациялық күшті арттыру үшін белгілі бір жоғалған масса түрі жауапты деп жалпы түрде есептеледі, бірақ бұл масса тікелей байқалған жоқ. Бұл мәселе тудырады; ғарыштағы қалыпты материя жарық шығара бастағанша қызып отырады, сондықтан егер бұл жоғалған масса болса, ол Жерде әдетте байқалмайтын формада болады деп есептеледі. Уақыт өте келе жоғалған массаға бірнеше үміткерлер ұсынылды. Алғашқы үміткерлерге Үлкен жарылыста пайда болған ауыр бариондар кірді, бірақ ядролық синтез жөніндегі соңғы жұмыстар олардың көпшілігін жоққа шығарғандай. Тағы бір үміткер – әлсіз өзара әрекеттесетін массивті бөлшектер, немесе "WIMP" деп аталатын жаңа бөлшектер. Аты айтқандай, WIMP-тер қалыпты материямен әлсіз өзара әрекеттеседі, бұл оларды неге оңай көруге болмайтынын түсіндіреді. WIMP-терді анықтау үшін Марк Гудман мен Эдвард Виттен де ұқсас әдіс ұсынды. CDMS I 1998–2002 жылдары Стэнфорд университетіндегі жер астындағы ортада (SUF, Стэнфорд жер асты құрылғысы деп аталады) WIMP іздеу деректерін жинады. CDMS II 2003–2009 жылдары (деректерді алу 2006–2008 жылдары) Миннесота университетінің қатысуымен Судан кенішінде жұмыс істеді. Ең соңғы эксперимент, SuperCDMS (немесе SuperCDMS Судан), аралас электродтармен, көбірек массамен және тіпті жақсы фонды жобаумен Суданда 2011–2015 жылдары деректер жинады. Эксперименттер сериясы SuperCDMS SNOLAB-пен жалғасуда, қазіргі уақытта (2018) SNOLAB-та салынып жатыр және 2020 жылдардың басында аяқталуы күтілуде. Эксперименттер сериясына CDMSlite эксперименті де кіреді, ол Судандағы SuperCDMS детекторларын ерекше түрде төмен массалы WIMP-терге сезімтал болуы тиіс "CDMSlite режимі" деп аталатын жұмыс режимінде пайдаланды. CDMS эксперименті бірнеше түрлі детектор технологияларын қолданғандықтан, атап айтқанда, германий немесе кремнийге негізделген 2 түрлі детектор, CDMS экспериментінің детекторларының нақты конфигурациясынан туындаған эксперименттер мен жиналған әртүрлі деректер жиынтықтары кейде CDMS Ge, CDMS Si, CDMS II Si сияқты атаулармен белгіленеді.

Observations of the large scale structure of the universe show that matter is aggregated into very large structures that have not had time to form under the force of their own self gravitation. It is generally believed that some form of missing mass is responsible for increasing the gravitational force at these scales, although this mass has not been directly observed. This is a problem; normal matter in space will heat up until it gives off light, so if this missing mass exists, it is generally assumed to be in a form that is not commonly observed on earth. A number of proposed candidates for the missing mass have been put forward over time. Early candidates included heavy baryons that would have had to be created in the Big Bang, but more recent work on nucleosynthesis seems to have ruled most of these out. Another candidate are new types of particles known as weakly interacting massive particles, or "WIMP"s. As the name implies, WIMPs interact weakly with normal matter, which explains why they are not easily visible. and a similar method was proposed for WIMP detection by Mark Goodman and Edward Witten. CDMS I collected WIMP search data in a shallow underground site (called SUF, Stanford Underground Facility) at Stanford University 1998–2002. CDMS II operated (with collaboration from the University of Minnesota) in the Soudan Mine from 2003 to 2009 (data taking 2006–2008). The newest experiment, SuperCDMS (or SuperCDMS Soudan), with interleaved electrodes, more mass, and even better background rejection was taking data at Soudan 2011–2015. The series of experiments continue with SuperCDMS SNOLAB, currently (2018) under construction in SNOLAB and to be completed in the early 2020s. The series of experiments also includes the CDMSlite experiment which used SuperCDMS detectors at Soudan in an operating mode (called CDMSlite mode) that was meant to be sensitive specifically to low mass WIMPs. As the CDMS experiment has multiple different detector technologies in use, in particular, 2 types of detectors based on germanium or silicon, respectively, the experiments derived from some specific configuration of the CDMS experiment detectors and different data sets thus collected are sometimes given names like CDMS Ge, CDMS Si, CDMS II Si et cetera.

Нәтижелер

2009 жылдың 17 желтоқсанында ынтымақтастық екі кандидат WIMP-тің табылу мүмкіндігін жариялады, біреуі 2007 жылдың 8 тамызында, ал екіншісі 2007 жылдың 27 қазанында тіркелген. Оқиғалардың аз санына байланысты, команда нейтрондық соқтығысы сияқты фондық шудан туындаған жалған оң нәтижелерді жоққа шығара алды. Есептеулерге сүйенсек, мұндай шу 25% жағдайда екі немесе одан көп оқиғаны тудыруы мүмкін. Нейтрондық фонды азайту үшін полиэтиленді сіңіргіштер орнатылды. 2011 жылғы талдауда төменгі энергиялық шектері қолданылып, кіші массалы WIMP-тердің (M < 9 GeV) болуына дәлелдер ізделді. Олардың шектері CoGeNT деп аталатын жаңа германий экспериментінің, сондай-ақ DAMA/NaI және DAMA/LIBRA жылдық модуляция нәтижелері бойынша алға қойылған болжамдарды жоққа шығарды. 2013 жылдың мамырындағы Physical Review Letters журналында жарияланған деректерді талдау нәтижесінде, күтілетін фоны 0,7 құрайтын, WIMP-терден күтілетін массасы, оның ішінде нейтралинодан тұратын 3 WIMP анықталды. Бұл деректердің аномальды фондық шу болу ықтималдығы 0,19% құрайды, нәтижеге 99,8% (3 сигма) сенімділік деңгейін береді. Бұл WIMP-тердің нақты дәлелі болмаса да, теорияларға маңызды қолдау білдіреді. Бұл сигнал CDMS II экспериментімен байқалды және кремний детекторларымен тіркелгендіктен CDMS Si сигналы деп аталады (кейде эксперименттің өзі CDMS Si деп те аталады). SuperCDMS іздеу нәтижелері 2012 жылдың қазанынан 2013 жылдың маусымына дейінгі кезеңдегі деректерге сүйеніп, 2014 жылдың маусымында жарияланды. Онда WIMP массасы 30 ГэВ-тан төмен сигнал аймағында 11 оқиға тіркелді және спинге тәуелсіз қиманың жоғарғы шегі белгіленді, бұл жақында CoGeNT экспериментімен алынған кіші массалы сигналға қарсы дәлелдеме берді.

SuperCDMS SNOLAB

SNOLAB үшін SuperCDMS-тің екінші буыны жоспарланған. Бұл SuperCDMS Soudan-нан барлық жағынан кеңейтілді: Жеке детектор дискілері 100 мм / 3,9 дюйм диаметрі × 33,3 мм / 1,3 дюйм қалыңдығы, Судандағы 76,2 мм / 3 дюйм диаметрі × 25,4 мм / 1 дюйм қалыңдығы дискілерінің көлемі 225% құрайды. Олардың саны көп, әрқайсысында алты дискіден тұратын 31 "мұнара" болады, бірақ жұмыс тек төрт мұнарадан басталады. Детектор SNOLAB-та терең орналасуы және құрылыстағы радиотзалық тазалыққа көбірек назар бөлу арқасында жақсы қорғалған. Детектордың массасының артуы соншалықты үлкен емес, себебі детекторлардың шамамен 25% кремнийден жасалады, оның салмағы 44% ғана. Барлық 31 мұнараны осы қатынас бойынша толтыру шамамен 222 кг салмақ береді.

Жоба бірнеше рет кешіктірілді (алдыңғы жоспарлар құрылыстың 2014 және 2016 жылдары басталатынын күткен), бірақ ол әлі де белсенді, SNOLAB-та орын бөлінген және құрылыс 2018 жылдың басында басталды. SuperCDMS құрылысы 2018 жылы басталды, ал операциялар 2020 жылдың басында іске қосылды. Бұл жобаның бюджеті сол кезде 34 миллион АҚШ долларын құрады. 2021 жылдың мамыр айында SuperCDMS SNOLAB детекторы құрылыс кезеңінде болды, ал SNOLAB орнында да, басқа да орындарда прототиптік аппараттармен бастапқы ғылыми (немесе прототиптеу, немесе алдын ала зерттеулер) жүргізілуде. Толық детектор 2023 жылдың соңында ғылыми деректерді қабылдауға дайын болады деп күтілуде, ал ғылыми операциялар 2023-2027 жылдар аралығында 4 жыл (екі жеке кезеңмен) жалғасады, 2027 жылдан кейін мүмкін болатын кеңейтулер мен жаңарулармен бірге. 2022 жылдың мамыр айында SuperCDMS SNOLAB детекторының орнатылуы жүріп жатты, 2023 жылы сынақ жұмысын бастау жоспарланған. 2024 жылдың басында толық детектормен алғашқы ғылыми жұмыс және 2025 жылдың басында алғашқы нәтижелер күтілуде. 2023 жылдың маусым айында SuperCDMS SNOLAB орнатылуы толыққанды жүріп жатты. 2024 жылы сынақ жұмысы басталады деп күтілуде.

GEODM ұсынысы

SuperCDMS-тің үшінші буыны әзірленуде, бірақ әлі жоспарлау кезеңінде. GEODM (GErmanium Observatory for Dark Matter), шамамен 1500 кг детектор массасымен, SNOLAB-тың "Криопит" орналасқан жеріне қызығушылық танытты. Детектор массасын арттыру, қажетсіз фондық сигналдар да артпаса ғана, детектордың сезімталдығын жоғарылатады. Сондықтан, әр буын алдыңғы буыннан тазаланып, қорғанысы жақсы болуы тиіс. Осылайша, ондаған кезеңдерде құрылыс салудың мақсаты – GEODM дизайнын аяқтамас бұрын қажетті қорғау технологияларын жетілдіру.