Neutrino Alley의 금고에서 암흑 물질 사냥

Oak Ridge National Laboratory의 과학자들은 중성미자 검출기의 감도를 사용하여 밝게 빛나는 지하 복도에서 암흑 물질을 관찰하려고 시도했습니다. 팀이 작업 중인 Neutrino Alley는 강력한 입자 가속기인 Spallation Neutron Source 아래에 있습니다. 수년간의 이론적 계산 끝에 COHERENT 팀은 우주 질량의 최대 85%를 구성하는 것으로 생각되는 암흑 물질을 관찰하기 시작했습니다. 이 실험을 통해 팀은 새로운 방식으로 암흑 물질에 대한 글로벌 검색을 확장할 수 있었으며 암흑 물질 입자를 포착할 가능성을 높이기 위해 더 크고 민감한 검출기를 받을 계획입니다.

암흑 물질과 같은 신비의 기운을 지닌 것은 거의 없습니다. 이름 자체는 비밀을 발산하여 우주의 그림자에 숨겨진 무언가를 암시합니다.

과학자들의 협력 팀이라고 함 일관된케이트 슐버그(Kate Schulberg), 예술 및 과학 물리학 교수, 필립 바보(Philip Barbeau) 물리학 부교수, 박사후 연구원 다니엘 버치(Daniel Berchie)는 암흑 물질을 우주의 그림자에서 덜 매력적인 목적지로 가져오려고 노력했습니다. , 비좁은 지하실 복도.

하지만 일반 지하실은 아닙니다. 뉴트리노 앨리(Neutrino Alley)라는 별명을 가진 오크 리지 국립 연구소(Oak Ridge National Laboratory) 지역에서 작업하는 이 팀은 일반적으로 중성미자라고 하는 아원자 입자에 중점을 둡니다. 그들은 별이 죽고 초신성이 되거나 지구에 더 가까운 수준에서 입자 가속기에서 충돌하는 양성자의 부산물로 생성됩니다.

우주 물질의 85%를 차지하는 보이지 않는 물질인 암흑 물질은 은하 사이에 숨겨져 있지 않습니다. 과학자 팀이 그녀를 그림자에서 꺼내려고 노력하고 있습니다. 출처: X-rays: NASA/CXO/Fabian 외. ; 라디오: Gendron-Marsolais 외. ; NRAO/AUI/NSF 광학: NASA, SDSS

우연히도 Neutrino Alley는 세계에서 가장 강력한 입자 가속기 중 하나인 Oak Ridge의 바로 아래에 있습니다. 파쇄 중성자 소스(SNS). Neutrino Alley에는 중성미자가 지나가고 충돌할 때 모니터링하도록 특별히 설계된 감지기 모음이 있습니다.

그러나 중성미자는 SNS 프로세스의 유일한 부산물이 아닙니다. 암흑 물질(악당이 가장 좋아하는 반물질과 혼동하지 말 것)은 입자 가속기가 양성자를 함께 부술 때도 생성됩니다. 수년간의 이론적 계산 끝에 COHERENT 팀은 SNS의 힘과 중성미자 탐지기의 감도를 활용하여 Neutrino Alley의 암흑 물질을 모니터링하기 시작했습니다.

Schulberg는 “그리고 우리는 그것을 보지 못했습니다.”라고 말합니다. “물론 우리가 봤다면 더 흥미진진했을 텐데, 못 본 게 사실 큰 문제다.”

그녀는 중성미자 검출기에 의해 암흑 물질이 검출되지 않았다는 사실이 암흑 물질이 어떻게 생겼는지에 대한 이론적 모델을 개선할 수 있게 해준다고 설명했습니다.

“암흑 물질에 특정 속성이 있는 경우 암흑 물질 탐지기가 어떻게 반응할지 정확히 알고 있으므로 특정 서명을 찾고 있었습니다.”

케이트 슐버그, 공동 저자인 그레이슨 리치, 필립 바보. 크레딧: Long Li/듀크 대학교

문제의 지문은 중성미자 검출기의 원자핵이 중성미자 또는 이 경우 암흑 물질 입자에 부딪쳤을 때 튕겨 나오는 방식입니다.

Berchie는 “얼음 위의 볼링공에 발사체를 던지는 것과 같습니다.”라고 말했습니다. 그의 비유에서 볼링공은 중성미자 검출기의 원자입니다. 이 실험에서는 14.6kg의 요오드화 세슘 결정이었습니다. “볼링공이 닿았을 때 튕기는 높이를 보면 슬링과 던지는 힘에 대해 많은 것을 알 수 있습니다.”

암흑 물질에 관해서는 어떤 정보라도 좋은 정보입니다. 그것이 실제로 무엇인지 아무도 모릅니다. 거의 100년 전, 물리학자들은 우주에 포함된 모든 것이 우리가 볼 수 있는 것뿐이라면 우주가 그런 식으로 행동할 수 없다는 것을 깨달았습니다.

Oak Ridge National Laboratory의 Neutrino Research Group 책임자이자 연구의 공동 저자 인 Jason Newby는 “우리는 암흑 물질의 바다에서 수영하고 있습니다. 물리학자들은 암흑 물질이 우주 질량의 85%를 차지한다는 데 동의합니다. 우주의 거동을 설명하려면 중력의 영향을 받아야 하지만 어떤 종류의 빛이나 전자기파와도 상호 작용하지 않고 어둡게 보인다.

Jason Newby와 공동 저자인 Yuri Efremenko는 Neutrino Alley에서 암흑 물질을 검색하는 데 사용되는 매우 작은 14.6kg 요오드화 세슘 중성미자 검출기를 휴대합니다. 출처: Genevieve Martin/Oak Ridge National Laboratory, 미국 에너지부

Birchi는 “우리는 서로 궤도를 도는 큰 은하를 관찰함으로써 이것을 배웠고, 그들이 해야 할 것보다 더 빨리 회전한다는 것을 알았습니다. 이것은 그들이 보이는 것보다 더 많은 질량을 가지고 있음을 의미합니다.”라고 말했습니다. “그래서 우리는 거기에 추가 사항이 있다는 것을 알고 있습니다. 우리는 그것들을 찾을 위치를 알아야 합니다.”

“대부분의 경우 결과를 얻지 못하더라도 모든 곳을 살펴본 다음 수많은 가능성을 배제하고 벽에 붙은 스파게티를 사용하는 것보다 전략을 통해 새로운 영역에 집중하는 것이 정말 중요합니다. ‘라고 접근합니다.” Newby가 말했습니다.

다니엘 베르치. 신용: 듀크 대학교

Schulberg는 “우리는 암흑 물질에 대해 존재할 수 있는 모든 모델로 범위를 확장하고 있으며 이는 매우 강력합니다.”라고 말했습니다.

그리고 그 성과는 여기서 멈추지 않습니다. 그녀는 이 실험을 통해 팀이 새로운 방식으로 암흑 물질에 대한 글로벌 검색을 확장할 수 있었다고 말합니다.

“전형적인 탐지 기술은 지하로 가서 매우 민감한 탐지기를 만들고 암흑 물질 입자가 통과하기를 기다리는 것입니다.”라고 Berchi는 말했습니다.

문제? 암흑 물질 입자는 공기를 통해 조용히 이동할 수 있습니다. 또한 매우 가벼운 경우 감지 가능한 지문을 생성하기에 충분한 전력으로 감지기에 도달하지 못할 수 있습니다.

COHERENT 팀의 실험 설정은 이 문제를 해결합니다.

“가속기에 들어갈 때 훨씬 더 높은 에너지에서 입자를 생성합니다.”라고 Berchi는 말했습니다. 이것은 그들에게 많은 것을 준다 중력 코어를 치고 암흑 물질 신호를 보여줍니다. “

그래서 지금은? 드로잉 보드로 돌아가는 것이 아닙니다. Neutrino Alley는 현재 COHERENT의 세련된 검색 기준과 함께 이러한 악마 입자 중 하나를 포착할 가능성을 크게 향상시킬 더 크고 더 민감한 검출기를 받을 준비를 하고 있습니다.

“우리는 암흑 물질이 있어야 할 문턱에 와 있습니다.”라고 Birchi는 말했습니다.

참조: D. Akimov et al. 2023년 2월 3일 물리적 검토 편지.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.051803