Поиски частиц темной материи
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
?а зеркальные фотоны, лептоны и барионы. Только зеркальные нейтрино, переходящие в результате осцилляций в обычные нейтринные состояния, могут стать наблюдаемыми. Все остальные продукты распадов зеркальных Х-частиц так и останутся в зеркальном мире и будут ненаблюдаемыми в обычном мире. Таким образом, зеркальные Х-частицы могут являться скрытым источником нейтрино, поток которых может быть очень большим и может быть обнаружен вступающими в строй нейтринными телескопами.
3. Поиск частиц темной материи в экспериментах
Имеется несколько путей поиска частиц темной материи. Один из них связан с экспериментами ускорителях высокой энергии - коллайдерах. Если частицы темной материи действительно тяжелее протона в 100-1000 раз, то они будут рождаться в столкновениях обычных частиц, разогнанных на коллайдерах до высоких энергий. Ближайшие перспективы здесь связаны с Большим адронным коллайдером (LHC). Нужно сказать, что согласно популярным сегодня гипотезам, частицы темной материи - это лишь один представитель нового семейства элементарных частиц, так что наряду с открытием частиц темной материи можно надеяться на обнаружение на ускорителях целого класса новых частиц и новых взаимодействий. Космология подсказывает, что известными сегодня "кирпичиками" мир элементарных частиц далеко не исчерпывается!
Другой путь состоит в регистрации частиц темной материи, которые летают вокруг нас. Их отнюдь не мало: при массе, равной 1000 масс протона, этих частиц здесь и сейчас должно быть 1000 штук в кубическом метре. Проблема в том, что они крайне слабо взаимодействуют с обычными частицами, вещество для них прозрачно. Тем не менее, частицы темной материи изредка сталкиваются с атомными ядрами, и эти столкновения можно надеяться зарегистрировать. Поиск в этом направлении ведется с помощью целого ряда высокочувствительных детекторов, помещенных глубоко под землей, где резко снижен фон от космических лучей.
Eще один путь связан с регистрацией продуктов аннигиляции частиц темной материи между собой. Эти частицы должны скапливаться в центре Земли и в центре Солнца, т.к. вещество для них практически прозрачно, и они способны проваливаться внутрь Земли или Солнца. Там они аннигилируют друг с другом, и при этом образуются другие частицы, в том числе нейтрино. Эти нейтрино свободно проходят сквозь толщу Земли или Солнца, и могут быть зарегистрированы специальными установками - нейтринными телескопами. Один из таких нейтринных телескопов расположен в глубине озера Байкал (НТ-200, рис.8) [3], другой (AMANDA) - глубоко во льду на Южном полюсе.
Рис 8. Нейтринный телескоп расположен в глубине озера Байкал
Как показано на рис.9 [3], нейтрино, приходящее, например, из центра Солнца, может с малой вероятностью испытать взаимодействие в воде, в результате чего образуется заряженная частица (мюон), свет от которой и регистрируется. Поскольку взаимодействие нейтрино с веществом очень слабое, вероятность такого события мала, и требуются детекторы очень большого объема. Сейчас на Южном полюсе началось сооружение детектора объемом 1 кубический километр.
Имеются и другие подходы к поиску частиц темной материи, например, поиск продуктов их аннигиляции в центральной области нашей Галактики. Какой из всех этих путей первым приведет к успеху, покажет время, но в любом случае открытие этих новых частиц и изучение их свойств станет важнейшим научным достижением. Эти частицы расскажут нам о свойствах Вселенной через 10-9 с (одна миллиардная секунды) после Большого Взрыва, когда температура Вселенной составляла 1015 градусов, и частицы темной материи интенсивно взаимодействовали с космической плазмой.
4. Прямая регистрация вимпов
Идея прямого детектирования вимпов основана на предположении о том, что Галактика заполнена вимпами, поэтому при движении Земли многие из них проходят через Землю. Для оценки характеристик сигнала при прямой регистрации вимпов ключевыми параметрами являются: плотность распределения вимпов в Галактике, распределение их по скоростям в Солнечной системе, сечение рассеяния вимпов на нуклонах.
В экспериментах по прямой регистрация вимпов необходимо тем или иным методом измерить энергию, выделившуюся в процессе рассеяния вимпов на ядерной мишени. Для регистрации ядра отдачи и измерения его энергии могут быть использованы ионизационные, сцинтилляционные и тепловые детекторы или их комбинации. Важно подчеркнуть, что в отличие от тепловых детекторов, в которых почти 100 % энергии ядра отдачи АЕ преобразуется в тепловой сигнал, ионизационные детекторы имеют коэффициент преобразования энергии отдачи в энергию, затрачиваемую на рождение электронно-дырочных пар, не более 30 %, а в сцинтилляционных детекторах в свет преобразуется не более 10 % энергии. В этом случае детектор, регистрирующий ядра отдачи, должен работать с порогом, не превышающим нескольких КэВ.
4.1 Детекторы, регистрирующие заряд
Полупроводниковые детекторы.
В первых экспериментах по наблюдению вимпов использовались германиевые детекторы, которые имеют низкий энергетический порог и высокое разрешение. Изначально эти детекторы были оптимизированы для изучения двойного ?-распада, но впоследствии стали использоваться и для наблюдения частиц ТМ. В последнее время для регистрации вимпов стали применяться времяпроекционные камеры.
IGEX (International Germanium Experiment) [1] - экспериме