物理学者は、暗黒物質の普遍的なダイヤモンド検出器のスキームを提案しました

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ビデオ: 謎の暗黒物質(ダークマター)を探れ! 2022, 12月
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Anonim
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米国とイスラエルの物理学者は、超高純度ダイヤモンドをベースにした暗黒物質検出器のスキームを提案しています。このような検出器は、3種類の暗い粒子を同時に追跡し、通常の物質とさまざまな方法で相互作用し、さまざまな質量を持ちます。さらに、科学者の計算から、提案された検出器の感度は、3つの範囲すべてで既存の類似体の感度を超えていることがわかります。この記事はPhysicalReview Dに掲載され、Physicsによって簡単に報告されました。作品のプレプリントは、arXiv.orgWebサイトに掲載されています。

暗黒物質は、現代の科学者が扱う最も神秘的な物質の1つです。一方では、天文学者は、通常の物質を引き付けるが、光子を放出することができない目に見えない物質の存在の多くの証拠を見ます。そのような証拠には、銀河の回転曲線、遠くの物体のレンズ画像、遺物放射の振動の特定のスペクトル、ビリアル定理の目に見える違反、および暗黒物質なしで理論の枠組みで説明するのが難しい他の現象が含まれます。 「暗黒物質の目撃者」の詳細については、「宇宙の見えないセメント」と「暗黒物質」の資料を参照してください。一方、科学者たちはまだ暗黒物質が何でできているのかを知りません-数十年の探索と数千万ドルの費やにもかかわらず、検出器は単一の仮想の暗黒粒子を捕らえることができませんでした。一部の検出器の精度は非常に高いため、すでにニュートリノの背景に近づいており、それを下回ると、仮想の粒子を感じることは原則として不可能になります。

おそらくこれらの失敗の理由は、暗黒物質の探索における事実上すべての実験がWIMP(理論に最も自然な方法で現れる重い暗い粒子)に焦点を合わせていることです。より軽い粒子はそのような検出器から逃げます。したがって、物理学者は絶望することはなく、他の予想外の質量範囲の実験を徐々に再編成しています。科学者たちは、たとえ暗い物質であっても、粒子でできていない可能性があると信じることは難しいと感じています。

この傾向に合わせて、ブラスカブレラが率いる科学者のチームは、陽子の質量の1000分の1未満の重さの暗黒物質粒子を捕捉するプロトタイプ検出器も開発しました。提案されたスキームは、化学蒸着(CVD)によって成長したダイヤモンド結晶に基づいています。他の検出材料と比較して、そのようなダイヤモンドには多くの利点があります。まず、ダイヤモンドの結晶格子を構成する炭素原子は質量が小さいため(キセノン原子の質量の約10分の1)、暗黒物質の軽い粒子と衝突すると偏向が大きくなります。第二に、光子とフォノンはダイヤモンド内を容易に伝播します。第三に、ダイヤモンドは非常に強い電界(1センチメートルあたり最大20メガボルト)に耐えることができます。第四に、CVDダイヤモンドは実質的に不純物や欠陥がありません。第五に、ダイヤモンド検出器は、シリコンまたはゲルマニウムに基づくデバイス用に開発された技術に簡単に適合させることができます。これらの半導体はすべて同様の構造と特性を持っているからです。

さらに、ダイヤモンド検出器は、異なる質量範囲に対応する3つの異なる方法で同時に暗黒物質粒子を検索します。科学者はこれらの方法のそれぞれを別々に検討しました。まず、他のほとんどの検出器と同様に、ダイヤモンド検出器は結晶格子核との衝突によって暗黒物質粒子を追跡できます。このような衝突が発生すると、コアが平衡位置からわずかにずれ、格子が振動し始めます。このような振動の量子は、準粒子-フォノンによって運ばれます。これは、準粒子トラップ支援電熱フィードバック遷移エッジセンサー(QET)を使用して検出できます。大まかに言えば、このようなセンサーは、フォノンエネルギーを熱に変換するトラップと顕熱センサーで構成されています。科学者によると、そのようなプロセスは、10から100メガ電子ボルトのオーダーの質量を持つ粒子に最も敏感です(陽子の質量は約940メガ電子ボルトです)。この領域では、検出器は核子による散乱の断面積が10〜43平方センチメートルを超えない粒子を検出できます。これは、既存の実験の感度よりも数桁高くなっています。

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ダイヤモンド(緑)、ヘリウム(青)、シリコン(赤)、およびキセノン(青緑)のフォノンを追跡する仮想実験の感度を制限します。比較のために、既存の制限(灰色)とニュートリノ背景(オレンジ)を示します。

第二に、暗黒物質粒子がダイヤモンドを飛ぶとき、それはその中の電子-陽電子対を生み出すことができます。検出器が強い電界にある場合、電子と陽電子は反対方向に散乱し、ダイヤモンドの周りにある検出器に衝突します。 CVDダイヤモンドの純度が高いため、室温でも荷電粒子の平均経路長は10センチメートルに達し、検出器の作業領域を増やすことができます。 QEDARKプログラムを使用してこのようなプロセスを数値的にシミュレートした後、物理学者は検出器の感度を推定しました。電荷の生成により、10から100メガ電子ボルトのオーダーの質量を持つ粒子を追跡することも可能になることが判明しました。それにもかかわらず、科学者たちは、電子と陽電子のペアとフォノンが、通常、さまざまな実験施設で検索されるさまざまなタイプの暗い粒子を生み出すことを強調しています。

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ダイヤモンド(緑)と他の実験(色付きの線)の電子-陽電子対を追跡する仮想実験の感度の制限と既存の制限(灰色)

第三に、暗黒物質粒子は炭素原子を励起状態にし、光子を放出させる可能性があります。フォノンや荷電粒子のように、光子はダイヤモンドを通過して光検出器に当たります。このようなプロセスの可能性は暗い粒子の種類に大きく依存するため、このシナリオを分析する際に、科学者は最も人気のある2つの種類の明るい暗黒物質である暗い光子とアクシオンのような粒子を検討しました。理論家は、両方のタイプの粒子の質量が0.001から1000電子ボルト(またはさらに広い範囲)の範囲であると推定しています。カブレラグループの計算から、ダイヤモンド検出器はこの範囲をスキャンし、暗い粒子の結合定数の既存の推定値を数倍改善できることがわかります。

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ダイヤモンド(黒)の光子を追跡する暗い光子を検索するための仮想実験の感度の制限と他の実験(色付きの線)および既存の制限(色付きの領域)

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ダイヤモンド(黒)の光子を追跡するアクシオンのような粒子を探す仮想実験の感度の制限と他の実験(色付きの線)および既存の制限(色付きの領域)

この記事の著者は、現時点では、検出器の実際のプロトタイプ、つまり最初の検出方法の基礎となるQETセンサーのアレイにすでに取り組んでいると主張しています。他の大きな暗黒物質実験(XENON、CDMS、PandaXなど)との比較を妨げる可能性がある唯一の問題は、化学蒸着(CVD)によって成長した純粋な結晶のコストが高いことです。しかし、科学者たちは、そのような結晶を作るコストは毎年減少すると指摘しています。特に、1キログラムのCVDダイヤモンドは、LUX-Zeplin実験のキセノンのコストに匹敵する価格ですでに購入できます。さらに、実際の検出器を構築する前に、科学者は暗黒物質からの信号を中断し、観察された画像を「ぼかす」バックグラウンドプロセスを取り除く方法を理解する必要があります。この記事では、科学者はこの問題を詳細に検討しませんでした。

暗黒物質検出器の故障にもかかわらず、物理学者は新しい質量範囲をスキャンし続けています。これを行うために、科学者は架空の粒子を検索するための新しい方法を開発しています。たとえば、2017年11月、ブラウン大学の従業員は、電場が浸透した液体ヘリウムの量子蒸発によって暗黒物質の「明るい」粒子を追跡することを提案しました。今年の3月、米国とイスラエルの物理学者は、WIMPと衝突すると熱くなる超電導線を使用した検出回路を考案しました。科学者たちはこのアイデアをニュートリノ物理学から借りました。そして、アメリカの物理学コミュニティの4月の会議で、アルバニーにあるニューヨーク州立大学の研究者は、「雪室」のプロジェクトを発表しました。これは、軽い粒子を探すために「訓練された」泡と「霧」室の類似物です。暗黒物質の。科学者によると、そのような設備の感度は、既存の類似体よりも少なくとも100倍高いとのことです。

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