Частиц темной материи на LHC по-прежнему не видно
На прошлой неделе в архиве е-принтов появилась статья с новыми результатами коллаборации ATLAS по поиску частиц темной материи. Это, конечно, не первые результаты; и CMS, и ATLAS уже рапортовали об этом поиске, причем в разных вариантах (с адронами, фотонами, лептонами); см., например, PRL110, 011802 и PRL108, 261803. Разница сейчас лишь в том, что обработана впятеро большая статистика.
Поскольку частицы темной материи невидимы для детектора, одного лишь их рождения недостаточно. Нужно вместе с ними породить какую-нибудь обычную частицу с большим поперечным импульсом и тщательно зарегистрировать продукты ее распада. Тогда факт рождения частиц темной материи будет заметен благодаря нестыковке в поперечном импульсе всех зарегистрированных частиц (подробнее об этом методе см. в недавней новости). Однако тут есть фон — процессы, которые выглядят так же, но только вызваны рождением обычных частиц, например Z-бозонов, которые потом распадаются на пару нейтрино. Поэтому поиск частиц темной материи на коллайдере — это не только регистрация дисбаланса в поперечном импульсе, но и доказательство того, что его нельзя списать на известные процессы.
Физики обработали всю статистику детектора ATLAS за 2012 год и отобрали события, в которых рождался W- или Z-бозон с последующим распадом на кварки и наблюдался большой (больше 350 ГэВ) дисбаланс в поперечном импульсе. Таких событий набралось несколько сотен. Сравнение с моделированием показало, что они полностью совпадают с ожидаемым фоном. Таким образом, никакого проявления частиц темной материи не было обнаружено.
Были установлены ограничения сверху на сечение этого процесса: то есть если он и происходит, то не чаще, чем некоторый предел. Для легких частиц темной материи это ограничение оказалось даже более сильным, чем результаты прямых поисков на детекторах темной материи (см. подробности в блоге Томмасо Дориго). Таким образом, эксперименты на LHC стали полноправными участниками гонки за темной материей.
29
Показать комментарии (29)
Свернуть комментарии (29)
-
-
В данных LHC никаких жестких ограничений из серии «нейтралино тяжелее стольки-то ГэВ для любых вариантов суперсимметрии» нет. Аналогично для частиц темной материи. Есть ограничения на сечения процессов в зависимости от массы. И есть ограничения на массы в зависимость от варианта суперсимметричных моделей. Всё это собрано в сводных картинках на страничках результатов суперсимметрии (http://elementy.ru/LHC/LHC_results/susy_search) и поиска экзотики (http://elementy.ru/LHC/LHC_results/exotic_search).
-
В блоге "Resonaances" недавно был пост об обнаружении детектором IceCube избытка нейтрино сверхбольших энергий (>1000 ТэВ), избытка явно астрофизического происхождения, по всем параметрам от распада частиц темной материи. Так что неудачи LHC в поиске экзотики вполне объяснимы и закономерны - слабоват он для таких энергий и ничего тут не поделать.
-
> избытка явно астрофизического происхождения,
Это верно.
> по всем параметрам от распада частиц темной материи.
Это только одна из гипотез. Нейтрино таких энергий могут возникать в распадах, например, пионов, которые рождаются в столкновениях еще более высокоэнергетичных протонов в местах их ускорения до сверхвысоких энергий, скажем на ударных волнах внутри релятивистских струй от активных ядер галактик.
Я прошу прощение за совершенно дилетантский вопрос, но каждый раз, когда я читаю про темную материю, он меня начинает мучить :)
Если не сложно объясните, почему, если темная материя испытывает только гравитационное взаимодействие, она вся не сжалась в одну черную дыру (хотя бы в окрестностях галактик)? Ведь обычной материи фактически мешает только электро-магнитное взаимодействие (излучение), если я правильно понимаю.
Если не сложно объясните, почему, если темная материя испытывает только гравитационное взаимодействие, она вся не сжалась в одну черную дыру (хотя бы в окрестностях галактик)? Ведь обычной материи фактически мешает только электро-магнитное взаимодействие (излучение), если я правильно понимаю.
-
Да, и именно это ЭМ взаимодействие упорядочивает сжатие обычного газопылевого облака — а темная материя себе такого позволить не может.
Возьмем любое облако из большого числа частиц в вакууме, которое начинает сжиматься за счет собственной гравитации. Оно, разумеется, не идеально симметрично, разные частицы облака движутся как-то относительно друг друга, а не тупо сжимаются все в центр. Пока что всё одинаково и для обычного газопылевого облака и для облака темной материи.
Но при сжатии повышается плотность, и в обычном веществе нарастает вязкость, просто потому, что частицы чувствуют друг друга, сталкиваются, рассеиваются. Происходит термализация, частицы начинают двигаться довольно синхронно, получаются течения газа. В целом облако приобретаю некую форму, начинает вращаться как целое, в нем образуются мелкие сгущения и т.д. Т.е. как только облако сжалось до размеров, при которых вязкость важна, эта вязкость выравнивает движение частиц. Так получаются галактики и звездные системы.
А в облаке темной материи практически никакого взаимодействия между отдельными частицами нет. В результате локальный рост плотности не приводит к вязкости: встречные частицы тупо пролетают очень близко друг к другу без изменения скорости и снова разлетаются в стороны. Так что такое облако просто пройдет через стадию сильного сгущения и потом расширится обратно. Никакой тенденции _останавливаться_ на этапе сгущения у него нет.-
"А в облаке темной материи практически никакого взаимодействия между отдельными частицами нет. В результате локальный рост плотности не приводит к вязкости: встречные частицы тупо пролетают очень близко друг к другу без изменения скорости и снова разлетаются в стороны. Так что такое облако просто пройдет через стадию сильного сгущения и потом расширится обратно. Никакой тенденции _останавливаться_ на этапе сгущения у него нет."
Интересно откуда темная материя знает, что она темная. Подумаешь других галактик не видно, чем она (галактика из темной для нас материи) от нашей будет отличатся?-
Частицы «знают», как они взаимодействуют друг с другом. Крупномасштабная структура тут не причина, а следствие.
-
Извиняюсь Игорь, не понял. Я опираюсь на то, что если есть совокупность материи отделенной от нашей например большой скоростью вращения (выше скорости света, кинетическая энергия получена от силы гравитации), соответственно нет с нами электромагнитного взаимодействия, т.е. темная, в своей системе координат как ей узнать, что она темная если разница от нашей отличается только в отсутствии других галактик. Если бы не было скорости света (бесконечность т.е.), я бы понял, а так создается впечатление, что Вы что-то знаете, но не говорите.
-
-
-
-
Спасибо за ответ. А можно ли где-то почитать про это более подробно (желательно с моделированием), а то мне не очень понятна критическая роль эм взаимодействия в этом процессе (как облако частиц формирует центральный объект).
Мне казалось, что скорости частиц будут выравниваться вне зависимости от наличия эм взаимодействия (как в идеальном газе?) исходя из законов термодинамики, а энергия из системы может уноситься ускорившимися частицами или может даже гравитационными волнами.
С другой стороны, если темная материя не склонна к упорядочиванию, то должна быть более менее однородно распределена по вселенной - тогда как она объяснит движение галактик (для которой насколько я понимаю была прежде всего и предложена)? Вообще в исследованиях обычно так или иначе говорится о сгущениях темной материи, но как так получается, что она вроде и образует сгущения, но не схлопывается в ЧД?
Мне казалось, что скорости частиц будут выравниваться вне зависимости от наличия эм взаимодействия (как в идеальном газе?) исходя из законов термодинамики, а энергия из системы может уноситься ускорившимися частицами или может даже гравитационными волнами.
С другой стороны, если темная материя не склонна к упорядочиванию, то должна быть более менее однородно распределена по вселенной - тогда как она объяснит движение галактик (для которой насколько я понимаю была прежде всего и предложена)? Вообще в исследованиях обычно так или иначе говорится о сгущениях темной материи, но как так получается, что она вроде и образует сгущения, но не схлопывается в ЧД?
-
Наверняка есть какие-нибудь книжки или популярные обзоры по образованию звездных систем, но я навскидку ничего не вспомню. Спросите у астрономов или астрофизиков, у Сергея Попова, например.
Термодинамика — это усредненная по большому времени и количеству частиц кинетика, а кинетика — это результат столкновений и взаимодействий. Фундаментальными всегда являются микроскопические законы поведения частиц, а все макроскопические являются уже их усредненными следствиями.
Гравитация конечно тоже воздействует на частицы, но на уровне ансамблей, а не отдельных частиц. Из-за гравитации относительное движение частиц в облаке может сглаживаться, это верно, но происходит это на очень больших временах и на больших пространственных масштабах. Остывание за счет «отстреливание» быстрых частиц возможно, но оно эффективно только для очень небольшого числа частиц. Грав.волны для этих процессов совсем несущественны. Еще вы не забывайте, чем если вы позволяете энергии чем-то уноситься, то она будет также и привноситься извне, ведь мы говорим не про одно облако в пустой вселенной, а про процессы, которые происходят везде. Ну и еще, строго говоря, настоящего термодинамического описания для гравитации несуществует из-за отсутствия аддитивности для таких величин, как например потенциальная энергия. Тут, впрочем, есть так называемая неэкстенсивная термодинамика, но это не настоящая термодинамика, а как бы ее обобщение.
Темная материя склонна к упорядочиванию, но на больщих масштабах. Для заданной средней скорости частиц и заданной их концентрации (и массы) существует некий естественный масштаб кучкования, и структуры существенно меньше практически ее не образуются. В принципе, допускается, что темная материя может кучковаться в комки субгалактического масштаба, но уж не масштаба отдельных звезд.-
>Остывание за счет «отстреливание» быстрых частиц возможно, но оно эффективно только для очень небольшого числа частиц.
Странно, а я думал, что этот процесс очень эффективен. Например, если я правильно понимаю, в квазарах (активных галактиках) возникают гигантские джеты именно по этому принципу: огромное количество вещества падает на центральную ЧД и при этом и выбрасывается во вне. Вроде даже существует проблема объяснения гигантских масс центральных черных дыр: я где-то читал, что в теории они не могли успеть набрать такие массы, которые мы наблюдаем. Возможно есть процессы, которые могут сильно это ускорять?
> Темная материя склонна к упорядочиванию, но на больщих масштабах. Для заданной средней скорости частиц и заданной их концентрации (и массы) существует некий естественный масштаб кучкования, и структуры существенно меньше практически ее не образуются. В принципе, допускается, что темная материя может кучковаться в комки субгалактического масштаба, но уж не масштаба отдельных звезд.
Но в галактике ЧМ постоянно испытывает возмущения как со стороны самой галактики (рукава), так и со стороны видимой материи - как она при этом сохраняет более менее равномерное распределение мне кажется непонятным, и даже противоречивым. Разве ЧМ не должна "оседать" на любых скоплениях видимой материи, коих в галактике огромное количество?
Впрочем, если физиков это устраивает, я могу лишь принять все это как есть и ждать новостей. Особенно надеюсь, что радиоастрон что-нибудь интересное откопает.-
Там действуют совсем другие процессы, это ни в коем случае не проявление чистой гравитации.
> Разве ЧМ не должна "оседать" на любых скоплениях видимой материи, коих в галактике огромное количество?
У каждой частицы темной материи есть мизерное сечение рассеяния на обычном веществе. Вероятность, что такая частиц, попавшая прямоком в солнце, испытает хоть одно столкновение, очень мала. Для темной материи всё прозрачно, и звезды, и планеты, и галактики. Они летают слово в пустом пространстве, но с некоторым гравитационным потенциалом. Темная материя может только оседать на сверхплотных образованиях типа нейтронных звезд, и то это оседание происходит не одномоментно, а многократными пролетами сквозь нее и потерей энергии.
> Впрочем, если физиков это устраивает, ...
Не физиков это устраивает, а законы природы. Вы почувствйте, насколько редко и слабо взаимодействие частиц темной материи со всем на свете, и тогда такое движение по инерции без кучкования станет для вас совершенно естественным.-
>Не физиков это устраивает, а законы природы.
Я имею в виду ситуацию в целом. Все, что я знаю о вселенной, рисует картину постоянной эволюции, от вещества к звездам, от мелких галактик к крупным, все приобретает форму, развивается, а темная материя совершенно выбивается из этого. И в отличие от физиков (как мне кажется), я могу позволить себе некоторую вольность в отношении к современным теориям. То есть я понимаю, что модель работает, но надеюсь, что какие-то законы природы еще не известны и ситуация изменится :) -
Кстати говоря, если бы ТМ накапливалась в нейтронных звездах и белых карликах, то через какое-то время они все бы испытали коллапс. То есть мы не должны видеть белых карликов и нейтронные звезды старше определенного возраста. В то время как без учета ТМ, белые карлики практически вечны (будут еще светить в несколько раз дольше, чем существует Вселенная). Старые нейтронные звезды тоже можно довольно точно определять по периоду пульсации (если в них накапливается ТМ, должны отсутствовать пульсары с периодом большим определенной величины).
Если бы удалось заснять хотя бы одно столкновение звезд, можно было бы увидеть, что их масса резко упала, так как обычная материя затормозилась, а темная - улетела дальше.
-
-
-
Можно наверное упрощенно понимать так, что в галактике каждая частица ТМ как бы находится на своей орбите вокруг общего центра масс (некоторые-на орбите около ближайших сгущений). При этом они не сталкиваются (столкновение обычных частиц обусловлено известными взаимодействиями, главным образом ЭМ-отталкиванием). Вроде планетной системы с колоссальным количеством планет. Система, конечно, теряет энергию на гравитационное излучение, но крайне медленно.
Есть еще другая идея (Игорь, не читайте :) наподобие MOND, но с тем отличием, что модифицированные свойства гравитации исходят не от тяготеющих тел, а от "гравитационной струны" между ними (наподобие глюонов, которые испускают другие глюоны в КХД). Причем дополнительное тяготение тем больше, чем больше расстояние между тяготеющими массами, и исходит от их центра масс. Это может объяснить различие распределения общей тяготеющей массы в галактике (то, что называют ТМ) от распределения видимой материи.
Есть еще другая идея (Игорь, не читайте :) наподобие MOND, но с тем отличием, что модифицированные свойства гравитации исходят не от тяготеющих тел, а от "гравитационной струны" между ними (наподобие глюонов, которые испускают другие глюоны в КХД). Причем дополнительное тяготение тем больше, чем больше расстояние между тяготеющими массами, и исходит от их центра масс. Это может объяснить различие распределения общей тяготеющей массы в галактике (то, что называют ТМ) от распределения видимой материи.
-
Но ведь не бывает систем с колоссальным количеством планет, все системы развиваются от большого количества мелких частиц (газ) - к меньшему с большой массой (да пока не останется только один :)
Даже если сама по себе ЧМ не может кучковаться, то ее к этому должна подталкивать видимая (хотя в теориях наоборот говорят, что в процессе эволюции черная материя способствовала связыванию видимой и образованию галактик - как-то все это выглядит спекулятивно для меня, обывателя).
Новые книги от издательства Springer:
Standard Model Measurements with the ATLAS Detector
Monte Carlo Simulations of the Tile Calorimeter and Measurement of the Z → τ τ Cross Section
Jana Novakova in Springer Theses (2014)
http://link.springer.com/book/10.1007/978-3-319-00810-3
Beyond Standard Model Phenomenology at the LHC
Priscila de Aquino in Springer Theses (2014)
http://link.springer.com/book/10.1007/978-3-319-00762-5
Observation of CP Violation in B± → DK± Decays
Paolo Gandini in Springer Theses (2014)
http://link.springer.com/book/10.1007/978-3-319-01029-8
Bis(s) ins Innere des Protons
Ein Science Slam durch die Welt der Elementarteilchen, der Beschleuniger und Supernerds
Boris Lemmer (2014)
http://link.springer.com/book/10.1007/978-3-642-37714-3
Standard Model Measurements with the ATLAS Detector
Monte Carlo Simulations of the Tile Calorimeter and Measurement of the Z → τ τ Cross Section
Jana Novakova in Springer Theses (2014)
http://link.springer.com/book/10.1007/978-3-319-00810-3
Beyond Standard Model Phenomenology at the LHC
Priscila de Aquino in Springer Theses (2014)
http://link.springer.com/book/10.1007/978-3-319-00762-5
Observation of CP Violation in B± → DK± Decays
Paolo Gandini in Springer Theses (2014)
http://link.springer.com/book/10.1007/978-3-319-01029-8
Bis(s) ins Innere des Protons
Ein Science Slam durch die Welt der Elementarteilchen, der Beschleuniger und Supernerds
Boris Lemmer (2014)
http://link.springer.com/book/10.1007/978-3-642-37714-3
На форуме РАН (есть и такой, мало посещаемый и весьма скучный) сообщение, что в США изобрели нечто, что позволит отказаться от коллайдеров и минимизировать установки для экспериментов. Впрочем, ссылок не привели. Попросил уточнить и задать вопрос Игорю Иванову.
Спасибо, Игорь, за ваши статьи и комментарии. Мне кажется интересной концепция, в которой частицы ТМ - те же частицы барионной материи, но живущие чрезвычайно мало в гало галактик. Они появляются и исчезают в результате случайных флуктуаций с огромной частотой. С огромного расстояния эта флуктурирующая масса "гравитирует". Другими словами, внутри галактик барионное вещество стабильно в каждой точке пространства, т.к. плотность флуктуаций высока, а в гало - нестабильно.
Написать комментарий
Последние новости
Череп ребенка из пещеры Схул подтверждает раннюю гибридизацию сапиенсов и неандертальцев
11.09 • Александр Марков
Асинхронность цветения и активности опылителей влияет на направление отбора
08.09 • Елена Устинова
На острове Уайт найден игуанодонт со спинным парусом
04.09 • Анна Новиковская
Дефицит лития играет важную роль в патогенезе болезни Альцгеймера
01.09 • Георгий Куракин
