液体ヘリウムは、明るい暗黒物質を見つけるのに役立ちます

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液体ヘリウムは、明るい暗黒物質を見つけるのに役立ちます
液体ヘリウムは、明るい暗黒物質を見つけるのに役立ちます
Anonim
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「明るい」暗黒物質の粒子を登録するには、低温での液体ヘリウムの蒸発を使用できます。ブラウン大学の科学者は、そのような設置の計画を提案し、その助けを借りて、1メガエレクトロンボルトのオーダーのエネルギーを持つWIMPを見つけることが可能であることを示しました。この記事はPhysicalReviewLettersに掲載されました。

暗黒物質は私たちによく知られている物質と重力的に相互作用し、多くの間接的な兆候がその存在を示しているという事実にもかかわらず(たとえば、銀河の回転曲線や銀河団の重力レンズ)、科学者はまだそれを直接発見していません。コールドダークマターの一部の役割の可能性のある候補の1つは、WIMP(弱く相互作用する巨大粒子)です。これは、弱い相互作用または重力相互作用によってのみ通常の物質に影響を与えることができる架空の粒子です。

一般に、WIMPの質量は1010から1012電子ボルトの範囲であると想定されています。しかし、そのような質量を持つ暗黒物質粒子はまだ発見されていません。そのため、理論モデルが開発され、仮想粒子の質量は10ギガエレクトロンボルト未満になる可能性があり、軽いWIMPを探すための実験が行われています。このために、半導体の電子励起、透明な結晶のシンチレーション、またはターゲット粒子とWIMPの相互作用から生じるターゲットの熱応答が使用されます。これらすべての方法で、感度のしきい値は約1電子ボルトです。これは、数百メガ電子ボルトのオーダーのエネルギーを持つWIMPに対応します。これには、明暗黒物質の痕跡を検出できる新しい実験の開発が必要です。

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ニュートリノ(左)またはWIMP(右)を検索するためのセットアップの概略図。

この記事の著者は、ニュートリノを検索するいくつかの方法と同様の実験のスキームを提案しています。その本質は、弱虫またはニュートリノが超流動状態の液体ヘリウムの原子と相互作用すると、準粒子(フォノンとロトン)が形成されるという事実にあります。ヘリウム温度が十分に低い場合(0.1ケルビン未満)、干渉-熱ゆらぎによる準粒子の形成は無視できます。これらの準粒子は液体中で伝播し、準粒子のエネルギーが0.7ミリエレクトロンボルト未満の場合、準粒子の散乱と崩壊の影響も無視できます。最後に、準粒子が液体の表面に到達すると、量子蒸発の結果としてヘリウム原子が液体から放出されます。

次に、液体から引き裂かれたヘリウム原子は、トンネル顕微鏡の鋭い先端によって生成された強い電界(オングストロームあたり数ボルト)を使用して加速され、先端に当たった瞬間が電流の短期的な増加として記録されますカソードとアノードを接続するネットワーク内。陰極による粒子の有効捕獲半径は約500ナノメートルであるため、科学者はそのような先端の大きな配列を液面の上に配置することを提案しています。科学者によると、個々の原子を効果的に検出するには、1つのアレイの先端間の距離を最大20マイクロメートル、アレイ自体の距離を最大1ミリメートルにする必要があります。

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液体から引き裂かれたヘリウムの原子が引き付けられる先端の配列の図

物理学者によると、そのような実験装置の助けを借りて、約0.6メガ電子ボルトの質量を持つ個々のWIMPを登録することが可能です。提案されたスキームの感度、時間とエネルギーの分解能、およびその他の重要な特性を評価できなかったという事実にもかかわらず、著者は、彼らのアイデアが軽いWIMPの記録に非常に役立つと信じています。科学者たちはまた、暗黒物質粒子の同様の検出器は、準粒子の経路長が十分に大きい他の媒体に基づいて構築できるため、大量の物質でそれらの生成を登録できることにも注目しています。それでも、暗くて「普通の」物質の粒子が相互作用することはめったにありません。

今週の火曜日、10月31日、物理学者が最初に暗黒物質の日を祝ったことを思い出してください。レベデフ物理学研究所のアストロ宇宙センターの理論天体物理学部長であるアンドレイ・ドロシュケビッチとの今日のインタビューで、科学者が暗黒物質を探している方法と理由について読むことができます。

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