Итоги 2013. Иголка ищет Сено или поиски Темной Материи
Когда-то давным-давно на страницах этого ЖЖ мы уже обсуждали, что привычной нам [барионной] материи, из которой состоим мы, наша планета и Ipadы, во Вселенной всего каких-то 5 %.
Год прошел под флагом поиска Темной Материи по всевозможным фронтам. Так что грех не воспользоваться возможностью поговорить об этой загадочной материи еще чуть-чуть.
Как вы могли догадаться по длине заголовка, пост будет длинным ;)
Введение: Опять 25 27!
В этом году спутник Planck опубликовал самые новые и самые точные результаты состава Вселенной и в 2014 годы мы входим со следующими цифрами:
[4.9% материи барионной, 26.8% Темной Материи и 68.3% Темной энергии.]
Тут нужно отметить что количественное знание о том сколько всего Темной Материи и Темной Энергии пока нам никак не помогает понять что же это такое.
При этом количество аргументов в пользу того, что они существуют, растет с каждым днем.
Сегодня мы ограничимся разговором о прогрессе в поиске Темной Материи, вернее о паре примеров того как её ищут.
К уже ставшим классическими аргументам в пользу её существования можно отнести следующие:
Темная Материя по ходу дела как-то связана с...
Движением галактик в скоплениях (со скоростью больше 1000 км/c)
Вращением галактик (плоские кривые вращения)
Горячим (температура больше 108 K) газом в скоплениях галактик
Гравитационным линзированием света далеких галактик в гравитационном поле более близких галактик
Движением тройных и кратных галактик
и т.д
специалисты более подробно могут почитать об этом тут
Не печальтесь, если ни один из приведенных аргументов вас не убедил.
Примечательно тут вот что, они все независимые (т.е. получены разными людьми в разное время) и дают примерно одинаковые результат:
Темной Материи должно быть в 5-10 раз больше чем масса видимого барионного вещества.
Это как если бы множество случайных прямых вдруг пересеклись в одной точке. Совпадение слишком примечательное, чтобы быть случайным.
Краткий ликбез по детектированию элементарных частиц
Темная Материя в её глобальном смысле - это явление видное космологам - людям, которые пристально следят за поведением Вселенной, используя в качестве объектов галактики и прочие крупные небесные тела. Однако, человечество уже давным давно дошло до мысли, что все крупные объекты - составные. И точно так же как атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов, а протоны из кварков, Темная Материя тоже должна состоять из каких-то элементарных частиц. Поэтому ученые [которых не пускают к телескопам] пытаются ловить эти частицы на Земле и изучать-изучать-изучать...
Экспериментальная часть по детектированию частиц, сводится в общем счете всего к паре пунктов:
регистрация частиц и измерение их характеристик
напр. массы, времени жизни и т.д.
изучение взаимодействий частиц с друг другом
напр. как рождаются, на что распадаются, что с чем взаимодействует охотно, а что - не очень
Для того чтобы подтвердить измеренные параметры (как самих частиц, так и их взаимодействий) с высокой точностью,
эксперименты проводят на большом объеме данных, анализируя сложными статистическими методами и всё время проверяя
согласуются ли данные с с теоретическими предсказаниями и результатами других экспериментов.
Обычно самая сложная часть - это регистрация.
Как зарегистрировать события, происходящие в микромире элементарных частиц, так чтобы это был ощутимый сигнал для нашего макромира?
Пока что человечество додумалось применять тут, прямо скажем, небольшое количество физических принципов.
Ионизация
Газовые детекторы
Заряженная частица (например протон), пролетая через чувствительное вещество (обычно газ), оставляет след из электронов и ионов,
т.е частиц с положительным и отрицательным зарядом. Если ничего не предпринять, то эти электроны и ионы рекомбинируют друг с другом,
образуя снова нейтральные атомы, и поминай как звали.
Но вот если приложить сильное электрическое поле (катод и анод по разные стороны от объема с веществом , через которое пролетала частица),
то электроны и ионы полетят в разные стороны - к электродам - и тут-то мы их и зарегистрируем.
А по количеству продрейфовавших к электроду электронов и разности по времени между первым прилетевшим электроном и последним,
можно проследить траекторию частицы и даже сказать что это была за частица.
На этом принципе основано множество разных детекторов, которые обычно различаются по материалу чувствительного объема (используются разные виды газа) и форме и\или расположению электродов (тут фантазия ученых гуляет по полной).
Вот так выглядит этот принцип на примере модных нынче детекторов - время-проекционных камер:
Твердотельные детекторы
С небольшой натяжкой, к детекторам, работающим по принципу ионизации, можно отнести и полупроводниковые. По сути дела это такие же пиксельные матрицы, как в современных фотоаппаратах.
Обычно эти детекторы состоят из отдельных тонких пластинок с нанесенной на них электроникой. Заряженная частица, пролетая сквозь пластинку, оставляет в каком-нибудь пикселе облако ионизации размером в несколько десятков микрон. Зная позицию сработавшего пиксела, хитрые ученые тут же получают координату прохождения частицы. Узнав координаты прохождения частицы через несколько идущих подряд пластинок такого детектора, можно восстановить траектории частиц.
Принцип детектирования выглядит вот так:
А вот так выглядит пример такого полупроводникового детектора, состоящего из множества пластинок:
(Micro Vertex Detector для PANDA)
Сцинтилляция
Предыдущие типы детектирования хорошо подходят для регистрации траекторий. Как насчет энергий частиц?
Для этого нужны отдельные детекторы, которые называют калориметрами. Название пошло от того, что частицы, проходя через них, теряют все свои калории. Чтобы добиться такого эффекта, на пути частиц ставят толстый слой плотного вещества. Частица в нём сталкивается с электронами или ядрами атомов
и порождает в результате поток вторичных частиц - ливень. Энергия исходной частицы распределяется между всеми частицами ливня, так что энергия каждой отдельной частицы в этом ливне становится небольшой. То есть каждой отдельной частице из ливня уже недостаточно энергии чтобы лететь дальше. И они со словами "Уходи! Спасайся! Оставь меня здесь!" застревают в толще вещества [нудные ученые называют эти процессы поглощением и аннигиляцией]. При этом некоторая, вполне определенная, доля энергии выделяется в виде света. Эта вспышка света собирается на торцах калориметра (фотоумножителями) и, грубо говоря, по её яркости можно сказать какая энергия была у частицы.
Принцип работы:
Твердотельные сцинтилляторы в голом виде обычно смотрятся довольно красиво - это такие отшлифованные кристаллы
"Слепить" из таких кристаллов можно детектор любой конфигурации:
(Electromagnetic Calorimeter для PANDA)
Иногда в качестве сцинтиллятора используют газ, например ксенон.
Собственно на этом основные принципы детектирования заканчиваются.
И не важно, какую физику вы изучаете - новые каналы распада бозона Хигса или аномальный магнитный момент мюона, принцип работы детектора будет классическим. Точно так как если вы готовите, скажем, борщ - не важно истинно украинский или его российскую модификацию, вам нужна будет кастрюля и плита. А вот величина кастрюли и мощность плиты могут зависеть от размера кошелка, количества едаков и т.д.
Такс, а что там с Темной Материей?
В этом году два эксперимента по прямому поиску особенно отличились.
Забегая вперед, сразу скажу, что они её не нашли в общепринятом смысле так что дальше можно не читать
Один из них называется "Криогенный Темной Материи Поиск" (Cryogenic Dark Matter Search = CDMS, Fremilab, US),
а другой - "Большой Подземный Ксенон" (Large Underground Xenon = LUX, Sanford Underground Research Facility, South Dakota, US).
Честно говоря, я без понятия как эти названия литературно перевести на русский, поэтому за руссификацию благодарим Google-translater!)
Искали они так называемые "слабо-взаимодействующие частицы" (WIMP), которые еще с 80х годов являются кандидатками на частицы Темной Материи.
Теоретики даже предсказывают массы этих частиц, правда как-то очень недружно. Кто-то говорит, что они должны всего в пару раз быть тяжелее протона, а кто-то - в сотню.
Тут нужно отметить, что с новыми частицами вторая заповедь физика-экспериментатора ("Нашел частицу, подтверди её существование на тысячи, а еще лучше миллионе событий") обычно не выполнима сразу.
Но с другой стороны, если найти хотя бы десяток - это уже кое-что.
Общая картинка детектирования следующая:
Летит частица Темной Материи (WIMP) сквозь вещество вашего детектора, соударяется с материалом детектора, часть энергия от WIMP переходит к материалу детектора, и осталось только зарегистрировать сколько энергии перешло. Так как частицы эти предполагаются слабо-взаимодействующими, этот чувствительный объем делается очень большим, да бы повысить вероятность того, что сколько-нибудь значимое количество событий произойдет за время жизни одного экспериментатора.
CDMS
Состоит из групп детекторов, сделанных из сверхчистых 19 германиевых (общая масса 4.6 кг) и 11 кремниевых (общая масса 1.2 кг) детекторов, работающих при низкой температуре (40 милликельвин).
Вот так выглядит один модуль:
А вот здесь специально обученный человек собирает группу таких модулей в башню (всего таких башен 5 шт):
Соударяющиеся с кристаллической решеткой детектора частица Темной Материи, вызовет небольшое повышение температуры чувствительного объема.
Измерив это изменение температуры можно сказать какова была энергия взаимодействия. При этом детектор еще работает как ионизационный, поэтому если столкновение WIMP выбило, например, ядро из атома детектора, возникшую ионизацию можно мерить одновременно с изменением температуры.
При этом ионизация будет различной в зависимости от этого было ли это действительно ядро или атомный электрон. Что существенно облегчает задачу отбрасывания неинтересных фоновых событий.
Иллюстрация:
Результаты:
Детекторы были тщательно откалиброваны и проверены на известных источниках. Затем эта группа экспериментаторов целый год набирала данные. За это время они успели подсчитать, что за год от всех известных источниках фона - взаимодействия обычных [барионных] частиц с детектором - количество событий которые они должны зарегистрировать должно равняться 0.6. Грубо говоря 1 событие за год, если частицы Темной Материи решат не взаимодействовать с их детектором.
Они зарегистрировали 3 события.
И это первый эксперимент, где количество зарегистрированных событий превысило количество ожидаемого фона!
Все бы, затаив дыхание, так и ждали что же будет когда эта группа поэкспериментируют со своими детекторами подольше, но тут LUX опубликовал свои результаты.
LUX
Этот эксперимент по сути дела большой такой криостат, заполненный ксеноном (370 кг). Ксенон - это отличный сцинтиллятор, практически любое взаимодействие в нем тут же превращается во вспышку света. А еще к нему можно приложить электроды и регистрировать ионизацию. По ионизации так же как в CDMS в этом эксперименте отбрасывали фон. Однако в этом детекторе, кроме всего прочего, можно мерить пространственную точку взаимодействия, что особенно удобно для отбрасывания событий происходящих рядом со стенками криостата - очень уж там много фона. И самое главное, газовый детектор большого объема гораздо легче получить чем полупроводниковый. Короче говоря, этот эксперимент на голову выше CDMS в плане размеров и точности.
Вот тут пытливый читатель может сосчитать сколько фотоумножителей будет регистрировать вспышки света в этом эксперименте:
А вот тут полюбоваться как собранный детектор спускается в шахту к специально обученному человеку:
Результаты:
Эти ребята набирали данные всего 4 месяца и согласно подсчетам, основанных на результатах CDMS, должны были зарегистрировать где-то сотню подобных событий. И не увидели ни одного. Пичалька :(
Итого
Таким образом, несмотря на практически безоговорочное существование Темной Материи, нам - простым [барионным] смертным пока не удалось её зарегистрировать напрямую. Зато в 2013 году в этом вопросе проявился серьезный экспериментальный сдвиг, что не может не радовать.
Год прошел под флагом поиска Темной Материи по всевозможным фронтам. Так что грех не воспользоваться возможностью поговорить об этой загадочной материи еще чуть-чуть.
Как вы могли догадаться по длине заголовка, пост будет длинным ;)
Введение: Опять 25 27!
В этом году спутник Planck опубликовал самые новые и самые точные результаты состава Вселенной и в 2014 годы мы входим со следующими цифрами:
[4.9% материи барионной, 26.8% Темной Материи и 68.3% Темной энергии.]
Тут нужно отметить что количественное знание о том сколько всего Темной Материи и Темной Энергии пока нам никак не помогает понять что же это такое.
При этом количество аргументов в пользу того, что они существуют, растет с каждым днем.
Сегодня мы ограничимся разговором о прогрессе в поиске Темной Материи, вернее о паре примеров того как её ищут.
К уже ставшим классическими аргументам в пользу её существования можно отнести следующие:
Темная Материя по ходу дела как-то связана с...
и т.д
специалисты более подробно могут почитать об этом тут
Не печальтесь, если ни один из приведенных аргументов вас не убедил.
Примечательно тут вот что, они все независимые (т.е. получены разными людьми в разное время) и дают примерно одинаковые результат:
Темной Материи должно быть в 5-10 раз больше чем масса видимого барионного вещества.
Это как если бы множество случайных прямых вдруг пересеклись в одной точке. Совпадение слишком примечательное, чтобы быть случайным.
Краткий ликбез по детектированию элементарных частиц
Темная Материя в её глобальном смысле - это явление видное космологам - людям, которые пристально следят за поведением Вселенной, используя в качестве объектов галактики и прочие крупные небесные тела. Однако, человечество уже давным давно дошло до мысли, что все крупные объекты - составные. И точно так же как атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов, а протоны из кварков, Темная Материя тоже должна состоять из каких-то элементарных частиц. Поэтому ученые [которых не пускают к телескопам] пытаются ловить эти частицы на Земле и изучать-изучать-изучать...
Экспериментальная часть по детектированию частиц, сводится в общем счете всего к паре пунктов:
напр. массы, времени жизни и т.д.
напр. как рождаются, на что распадаются, что с чем взаимодействует охотно, а что - не очень
Для того чтобы подтвердить измеренные параметры (как самих частиц, так и их взаимодействий) с высокой точностью,
эксперименты проводят на большом объеме данных, анализируя сложными статистическими методами и всё время проверяя
согласуются ли данные с с теоретическими предсказаниями и результатами других экспериментов.
Обычно самая сложная часть - это регистрация.
Как зарегистрировать события, происходящие в микромире элементарных частиц, так чтобы это был ощутимый сигнал для нашего макромира?
Пока что человечество додумалось применять тут, прямо скажем, небольшое количество физических принципов.
Ионизация
Газовые детекторы
Заряженная частица (например протон), пролетая через чувствительное вещество (обычно газ), оставляет след из электронов и ионов,
т.е частиц с положительным и отрицательным зарядом. Если ничего не предпринять, то эти электроны и ионы рекомбинируют друг с другом,
образуя снова нейтральные атомы, и поминай как звали.
Но вот если приложить сильное электрическое поле (катод и анод по разные стороны от объема с веществом , через которое пролетала частица),
то электроны и ионы полетят в разные стороны - к электродам - и тут-то мы их и зарегистрируем.
А по количеству продрейфовавших к электроду электронов и разности по времени между первым прилетевшим электроном и последним,
можно проследить траекторию частицы и даже сказать что это была за частица.
На этом принципе основано множество разных детекторов, которые обычно различаются по материалу чувствительного объема (используются разные виды газа) и форме и\или расположению электродов (тут фантазия ученых гуляет по полной).
Вот так выглядит этот принцип на примере модных нынче детекторов - время-проекционных камер:
Твердотельные детекторы
С небольшой натяжкой, к детекторам, работающим по принципу ионизации, можно отнести и полупроводниковые. По сути дела это такие же пиксельные матрицы, как в современных фотоаппаратах.
Обычно эти детекторы состоят из отдельных тонких пластинок с нанесенной на них электроникой. Заряженная частица, пролетая сквозь пластинку, оставляет в каком-нибудь пикселе облако ионизации размером в несколько десятков микрон. Зная позицию сработавшего пиксела, хитрые ученые тут же получают координату прохождения частицы. Узнав координаты прохождения частицы через несколько идущих подряд пластинок такого детектора, можно восстановить траектории частиц.
Принцип детектирования выглядит вот так:
А вот так выглядит пример такого полупроводникового детектора, состоящего из множества пластинок:
(Micro Vertex Detector для PANDA)
Сцинтилляция
Предыдущие типы детектирования хорошо подходят для регистрации траекторий. Как насчет энергий частиц?
Для этого нужны отдельные детекторы, которые называют калориметрами. Название пошло от того, что частицы, проходя через них, теряют все свои калории. Чтобы добиться такого эффекта, на пути частиц ставят толстый слой плотного вещества. Частица в нём сталкивается с электронами или ядрами атомов
и порождает в результате поток вторичных частиц - ливень. Энергия исходной частицы распределяется между всеми частицами ливня, так что энергия каждой отдельной частицы в этом ливне становится небольшой. То есть каждой отдельной частице из ливня уже недостаточно энергии чтобы лететь дальше. И они со словами "Уходи! Спасайся! Оставь меня здесь!" застревают в толще вещества [нудные ученые называют эти процессы поглощением и аннигиляцией]. При этом некоторая, вполне определенная, доля энергии выделяется в виде света. Эта вспышка света собирается на торцах калориметра (фотоумножителями) и, грубо говоря, по её яркости можно сказать какая энергия была у частицы.
Принцип работы:
Твердотельные сцинтилляторы в голом виде обычно смотрятся довольно красиво - это такие отшлифованные кристаллы
"Слепить" из таких кристаллов можно детектор любой конфигурации:
(Electromagnetic Calorimeter для PANDA)
Иногда в качестве сцинтиллятора используют газ, например ксенон.
Собственно на этом основные принципы детектирования заканчиваются.
И не важно, какую физику вы изучаете - новые каналы распада бозона Хигса или аномальный магнитный момент мюона, принцип работы детектора будет классическим. Точно так как если вы готовите, скажем, борщ - не важно истинно украинский или его российскую модификацию, вам нужна будет кастрюля и плита. А вот величина кастрюли и мощность плиты могут зависеть от размера кошелка, количества едаков и т.д.
Такс, а что там с Темной Материей?
В этом году два эксперимента по прямому поиску особенно отличились.
Забегая вперед, сразу скажу, что они её не нашли в общепринятом смысле так что дальше можно не читать
Один из них называется "Криогенный Темной Материи Поиск" (Cryogenic Dark Matter Search = CDMS, Fremilab, US),
а другой - "Большой Подземный Ксенон" (Large Underground Xenon = LUX, Sanford Underground Research Facility, South Dakota, US).
Честно говоря, я без понятия как эти названия литературно перевести на русский, поэтому за руссификацию благодарим Google-translater!)
Искали они так называемые "слабо-взаимодействующие частицы" (WIMP), которые еще с 80х годов являются кандидатками на частицы Темной Материи.
Теоретики даже предсказывают массы этих частиц, правда как-то очень недружно. Кто-то говорит, что они должны всего в пару раз быть тяжелее протона, а кто-то - в сотню.
Тут нужно отметить, что с новыми частицами вторая заповедь физика-экспериментатора ("Нашел частицу, подтверди её существование на тысячи, а еще лучше миллионе событий") обычно не выполнима сразу.
Но с другой стороны, если найти хотя бы десяток - это уже кое-что.
Общая картинка детектирования следующая:
Летит частица Темной Материи (WIMP) сквозь вещество вашего детектора, соударяется с материалом детектора, часть энергия от WIMP переходит к материалу детектора, и осталось только зарегистрировать сколько энергии перешло. Так как частицы эти предполагаются слабо-взаимодействующими, этот чувствительный объем делается очень большим, да бы повысить вероятность того, что сколько-нибудь значимое количество событий произойдет за время жизни одного экспериментатора.
CDMS
Состоит из групп детекторов, сделанных из сверхчистых 19 германиевых (общая масса 4.6 кг) и 11 кремниевых (общая масса 1.2 кг) детекторов, работающих при низкой температуре (40 милликельвин).
Вот так выглядит один модуль:
А вот здесь специально обученный человек собирает группу таких модулей в башню (всего таких башен 5 шт):
Соударяющиеся с кристаллической решеткой детектора частица Темной Материи, вызовет небольшое повышение температуры чувствительного объема.
Измерив это изменение температуры можно сказать какова была энергия взаимодействия. При этом детектор еще работает как ионизационный, поэтому если столкновение WIMP выбило, например, ядро из атома детектора, возникшую ионизацию можно мерить одновременно с изменением температуры.
При этом ионизация будет различной в зависимости от этого было ли это действительно ядро или атомный электрон. Что существенно облегчает задачу отбрасывания неинтересных фоновых событий.
Иллюстрация:
Результаты:
Детекторы были тщательно откалиброваны и проверены на известных источниках. Затем эта группа экспериментаторов целый год набирала данные. За это время они успели подсчитать, что за год от всех известных источниках фона - взаимодействия обычных [барионных] частиц с детектором - количество событий которые они должны зарегистрировать должно равняться 0.6. Грубо говоря 1 событие за год, если частицы Темной Материи решат не взаимодействовать с их детектором.
Они зарегистрировали 3 события.
И это первый эксперимент, где количество зарегистрированных событий превысило количество ожидаемого фона!
Все бы, затаив дыхание, так и ждали что же будет когда эта группа поэкспериментируют со своими детекторами подольше, но тут LUX опубликовал свои результаты.
LUX
Этот эксперимент по сути дела большой такой криостат, заполненный ксеноном (370 кг). Ксенон - это отличный сцинтиллятор, практически любое взаимодействие в нем тут же превращается во вспышку света. А еще к нему можно приложить электроды и регистрировать ионизацию. По ионизации так же как в CDMS в этом эксперименте отбрасывали фон. Однако в этом детекторе, кроме всего прочего, можно мерить пространственную точку взаимодействия, что особенно удобно для отбрасывания событий происходящих рядом со стенками криостата - очень уж там много фона. И самое главное, газовый детектор большого объема гораздо легче получить чем полупроводниковый. Короче говоря, этот эксперимент на голову выше CDMS в плане размеров и точности.
Вот тут пытливый читатель может сосчитать сколько фотоумножителей будет регистрировать вспышки света в этом эксперименте:
А вот тут полюбоваться как собранный детектор спускается в шахту к специально обученному человеку:
Результаты:
Эти ребята набирали данные всего 4 месяца и согласно подсчетам, основанных на результатах CDMS, должны были зарегистрировать где-то сотню подобных событий. И не увидели ни одного. Пичалька :(
Итого
Таким образом, несмотря на практически безоговорочное существование Темной Материи, нам - простым [барионным] смертным пока не удалось её зарегистрировать напрямую. Зато в 2013 году в этом вопросе проявился серьезный экспериментальный сдвиг, что не может не радовать.