Weakly interacting massive particle

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Weakly interacting massive particles

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2023/05/02 07:06 UTC 版)

Weakly interacting massive particle（WIMP, 弱く相互作用する質量粒子）とは、暗黒物質の候補の1つである仮説上の粒子である。

WIMPの明確な定義はないが、大まかに言えば、WIMPは重力やその他の力（またはそれら複数の力）を介して相互作用する新しい素粒子である。この力は標準模型には含まれていない可能性があり、弱い核力と同等かそれ以下の一定の強さがあれば良い。多くのWIMP候補は、ビッグバン宇宙論による標準模型^[1]の粒子と同様に、初期の宇宙で熱的に生成されたと予想され、通常はコールドダークマターを構成する。熱生成によって正確な現在の暗黒物質の量を得るには${\displaystyle \langle \sigma v\rangle \simeq 3\times 10^{-26}\mathrm {cm} ^{3}\;\mathrm {s} ^{-1}}$

図1。 2004年の時点で除外されたCDMSパラメータ空間。 DAMAの結果は緑のエリアにあり、許されていない。

実験技術

極低温結晶検出器–スーダン鉱山の極低温暗黒物質探索（CDMS）検出器で使用される技術は、複数の非常に冷たいゲルマニウムおよびシリコン結晶に依存している。結晶（それぞれホッケーパックのサイズ程度）は約50mKに冷却される。表面の金属（アルミニウムとタングステン）の層は、結晶を通過するWIMPを検出するために使用される。この設計は、WIMPによって「キック」される原子によって生成される結晶格子の振動を検出することを目的としている。タングステン遷移エッジセンサー（TES）は臨界温度に保たれているため、超電導状態になっている。大きな結晶の振動は金属に熱を発生させ、これは抵抗の変化によって検出可能である。 CRESST 、 CoGeNT 、およびEDELWEISSは、同様のセットアップを実行する。

希ガスシンチレータ– WIMPによって「ノックされた」原子を検出する別の方法は、シンチレーション材料を使用することである。これにより、光パルスが移動する原子によって生成され、多くの場合PMTで検出される。 SNOLABでのDEAPやLNGSでのDarkSideなどの実験では、高感度のWIMP検索のために非常に大きなターゲット質量の液体アルゴンを使用する。 ZEPLINとXENONは、キセノンを使用してより高い感度でWIMPを除外し、3.5トンの液体キセノンを使用するXENON1T検出器によってこれまでで最も厳しい制限が提供された。 ^[21]さらに大型のマルチトン液体キセノン検出器として、 XENON 、 LUX-ZEPLIN 、およびPandaXの共同研究による構築が承認されている。

結晶シンチレータ–液体希ガスの代わりとなる、原理的により簡単なアプローチは、NaI（Tl）などのシンチレータ結晶を使用することである。このアプローチは、 DAMA / LIBRAによって採用されている。これは、WIMP検出と一致する信号の年次変調を観測した実験である（ § Recent limitsを参照）。 § Recent limits）。 ANAISやDM-Iceなど、いくつかの実験でこれらの結果を再現しようとしている。DM-Iceは、南極のIceCube検出器とNaI結晶を同時配置している。 KIMSは、シンチレータとしてCsI（Tl）を使用して同じ問題に取り組んでいる。 COSINE -100コラボレーション（KIMSグループとDM-Iceグループの統合）は、2018年12月にジャーナルNatureでDAMA/LIBRA信号の複製に関する結果を公開した。彼らの結論は、「この結果は、DAMAコラボレーションによって観察された年次変調の原因としてのWIMP-核子相互作用を除外している」というものだった。 ^[22] 2021年に、 ANAIS-112とCOSINE-100の新しい結果は、どちらもDAMA/LIBRA信号の再現に失敗した。 ^{[23] [24] [25]}

泡箱– PICASSO （超対称オブジェクトを検索するためのカナダのプロジェクト）実験は、カナダのSNOLABにある直接暗黒物質検索実験である。フロンをアクティブマスとして用いる気泡検出器を使用する。 PICASSOは、主にWIMPとフロン中のフッ素原子とのスピン依存相互作用に敏感である。トリフルオロヨードメタン（CF ₃ I）を使用した同様の実験であるCOUPPは、2011年に20GeVを超える質量の制限を発表した。 ^[26] 2つの実験は2012年にPICOコラボレーションに統合された。

気泡検出器は、ゲルマトリックスに懸濁された過熱液体の小さな液滴を使用する放射線感受性デバイスである。 ^[27]泡箱の原理を使用しているが、一度に相転移を起こすことができるのは小さな液滴だけなので、検出器ははるかに長い期間アクティブなままでいることができる。^[要説明]電離放射線により液滴に十分なエネルギーが蓄積されると、過熱した液滴は気泡になる。気泡の発生には、圧電センサーによって検出される音響衝撃波が伴う。バブル検出器技術の主な利点は、検出器がバックグラウンド放射にほとんど影響されないことである。検出器の感度は、温度を変更することで調整できる。通常、15 °Cから55 °Cの間で動作する。 SIMPLEと呼ばれる、ヨーロッパでこの手法を使用した別の同様の実験がある。

PICASSOは、 ¹⁹ Fでのスピン依存WIMP相互作用の結果（2009年11月）を報告している。24Gevの質量では、13.9 pb（90％CL）のスピン依存断面積で新しい厳密な限界が得られた。得られた限界は、スピン依存相互作用の観点から、DAMA/LIBRAの年次変調効果の最近の解釈を制限する。 ^[28]

PICOは2015年に計画されたコンセプトの拡張である。 ^[29]

他のタイプの検出器–低圧ガスで満たされたタイムプロジェクションチェンバー（TPC）は、WIMP検出のために研究されている。トラックからの方向性リコイル識別（DRIFT）コラボレーションは、WIMP信号の予測された方向性を利用しようとしている。 DRIFTは二硫化炭素ターゲットを使用する。これにより、WIMPの反動が数ミリメートル移動し、荷電粒子の軌跡が残る。この帯電したトラックは、 MWPC読み出し平面にドリフトされ、3次元で再構築され、原点の方向を決定できる。 _DMTPCは、CF4ガスを使用した同様の実験である。

DAMIC（Dark Matter In CCDs）とSENSEI（Sub Electron Noise Skipper CCD Experimental Instrument）のコラボレーションでは、科学的な電荷結合デバイス（CCD）を使用して軽い暗黒物質を検出する。 CCDは、検出器ターゲットと読み出し機器の両方として機能する。 CCDの大部分とのWIMPの相互作用は、電子正孔対の生成を誘発する可能性があり、電子正孔対は、CCDによって収集および読み取られる。ノイズを減らし、単一電子の検出を実現するために、実験ではスキッパーCCDと呼ばれるタイプのCCDを使用する。これにより、同じ収集電荷の繰り返し測定を平均化できる。 ^{[30] [31]}

最近の制限

図2：暗黒物質粒子の質量と核子との相互作用断面積のパラメーター空間を示すプロット。 LUXおよびSuperCDMSの制限は、ラベル付けされた曲線の上のパラメーター空間を除外します。 CoGeNTおよびCRESST-II領域は、以前は暗黒物質信号に対応すると考えられていたが、後でありふれた情報源で説明された領域を示している。 DAMAとCDMS-Siのデータは説明されていないままであり、これらの異常が暗黒物質によるものである場合、これらの領域は好ましいパラメータ空間を示している。

図2に示すように、現在、直接検出実験からの暗黒物質の確認された検出はなく、 LUXおよびSuperCDMS実験からの最も強い除外限界がある。 370キログラムのキセノンを備えたLUXは、キセノンやCDMSよりも感度が高くなる。 ^[32] 2013年10月の最初の結果は、信号が見られなかったことを報告しており、感度の低い機器から得られた結果に反論しているようである。 ^[33]これは、2016年5月に最終データの実行が終了した後に確認された。 ^[34]

歴史的に、異なる直接検出実験からの4つの異常なデータセットがあり、そのうちの2つは現在バックグラウンドで説明されているが（ CoGeNTおよびCRESST-II）、2つは説明されていないままである（ DAMA / LIBRAおよびCDMS-Si ）。 ^{[35] [36]} 2010年2月、CDMSの研究者は、WIMPと核の衝突によって引き起こされた可能性のある2つのイベントを観察したと発表した。 ^{[37] [38] [39]}

単一のゲルマニウムパックを使用する小型の検出器であるCoGeNTは、質量の小さいWIMPを検知するように設計されており、56日間で数百の検出イベントを報告した。 ^{[40] [41]}彼らは、軽い暗黒物質を示す可能性のあるイベント率の年次変調を観察しました。 ^[42]しかし、CoGeNTイベントの暗黒物質の起源は、表面イベントからの背景の観点からの説明を支持して、より最近の分析によって反駁されている。 ^[43]

年次変調は、WIMP信号の予測される特徴の1つであり^{[44] [45]} 、これに基づいて、DAMAコラボレーションは肯定的な検出を主張している。しかし、他のグループはこの結果を確認していない。 2004年5月に公開されたCDMSデータは、WIMPと暗黒物質ハローの特性に関する特定の標準的な仮定を前提として、DAMA信号領域全体を除外し、これに続いて他の多くの実験が行われた（図2の右を参照）。

COSINE -100コラボレーション（KIMSグループとDM-Iceグループの統合）は、2018年12月にジャーナルNatureでDAMA/LIBRA信号の再現に関する結果を公開した。彼らの結論は、「この結果は、DAMAコラボレーションによって観察された年次変調の原因としてのWIMP-核子相互作用を除外している」というものだった。 ^[22]

直接検出の未来

2020年代には、現在の最先端の感度よりも桁違いに小さいWIMP核断面を調査する、いくつかのマルチトン質量直接検出実験の出現が見られる予定である。このような次世代実験の例としては、マルチトン液体キセノン実験であるLUX-ZEPLIN（LZ）とXENONnTがあり、続いて50〜100トンの別の提案された液体キセノン直接検出実験であるDARWINがある。 ^{[46] [47]}

このようなマルチトン実験は、ニュートリノの形で新しいバックグラウンドにも直面する。これにより、ニュートリノフロアと呼ばれる特定のポイントを超えてWIMPパラメータ空間を探索する能力が制限される。ただし、その名前は厳しい制限を意味する場合があるが、ニュートリノフロアは、それを超えると実験感度が露出の平方根（検出器の質量と実行時間の積）としてのみ改善できるパラメーター空間の領域を表す。 ^{[48] [49]} 10 GeV未満のWIMP質量の場合、ニュートリノ背景の主な発生源は太陽からであるが、より高い質量の場合、背景には大気ニュートリノと拡散超新星ニュートリノ背景からの寄与が含まれる。 2021年12月、 PandaXの結果では、データ中には信号が検出されず、最低でも ${\displaystyle 3.8\times 10^{-11}}$ pbの断面積および40GeVの質量までが棄却された。 ^{[50] [51]}

関連項目

• ヒッグス粒子
• Massive compact halo object (MACHO)
• マイクロブラックホール
• Robust associations of massive baryonic objects (RAMBOs)
• Weakly Interacting Slender Particle (WISP)

• 理論的な候補
  • Lightest Supersymmetric Particle (LSP)
  • ニュートラリーノ
  • マヨラナフェルミオン
  • Planck-mass-sized black hole remnant
  • ステライルニュートリノ

参考文献

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参照

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• Cerdeño, David G.; Green, Anne M. (2010). “Direct detection of WIMPs”. Particle Dark Matter: Observations, Models and Searches: 347–369. arXiv:1002.1912. doi:10.1017/CBO9780511770739.018. ISBN 9780511770739. 
• Davis, Jonathan H. (2015). “The Past and Future of Light Dark Matter Direct Detection”. Int. J. Mod. Phys. A 30 (15): 1530038. arXiv:1506.03924. Bibcode: 2015IJMPA..3030038D. doi:10.1142/S0217751X15300380. 
• Del Nobile, Eugenio; Gelmini, Graciela B.; Gondolo, Paolo; Huh, Ji-Haeng (2015). “Update on the Halo-independent Comparison of Direct Dark Matter Detection Data”. Physics Procedia 61: 45–54. arXiv:1405.5582. Bibcode: 2015PhPro..61...45D. doi:10.1016/j.phpro.2014.12.009. 

外部リンク

• WIMP検索に関するパーティクルデータグループの総説（S. Eidelmanetal。 （パーティクルデータグループ）、Phys。レット。 B 592、1（2004）付録 ：要約表から省略）
• ティモシーJ.サムナー、相対性の生きているレビューにおける暗黒物質の実験的検索、第5巻、2002年
• 闇の肖像、ニューサイエンティスト、2013年8月31日。プレビューのみ。