Una revisión de los temas candentes de la física de partículas en 2021 (1) |
Según este modelo, las partículas fundamentales de todo el universo se dividen en cuatro categorías: quarks, leptones, bosones vectoriales y partículas escalares de Higgs.
Entre ellos, los bosones vectoriales son los mediadores de interacciones, transmitiendo la interacción fuerte, la interacción débil y la interacción electromagnética entre partículas elementales a través de interacciones calibre.
Todas las partículas elementales ganan masa al interactuar con la partícula de Higgs. Con el descubrimiento de la partícula de Higgs en el experimento de 2012, el Modelo Estándar de física de partículas completó la última pieza del rompecabezas, demostrando el gran éxito del Modelo Estándar.
Pero todavía hay muchos problemas en el universo que no pueden explicarse mediante el Modelo Estándar, lo que muestra que el Modelo Estándar de física de partículas no es la teoría "definitiva", sino una teoría "efectiva" bajo el Estándar de energía electrodébil. También hay nueva física más allá del modelo estándar que es necesario explorar con urgencia, que es también el principal contenido de investigación en el campo actual de la física de partículas.
Investigación de la materia oscura
La materia oscura supera el modelo estándar de la física de partículas y es un problema importante en la física y la astronomía que debe resolverse con urgencia. Detectar la materia oscura experimentalmente y estudiar sus propiedades físicas sería un gran avance en física.
Hay tres direcciones principales para la detección experimental de materia oscura: detección directa, detección indirecta y detección de colisionador.
La nueva generación del experimento internacional de detección directa de materia oscura PandaX-4T 4t, experimento de xenón líquido, se puso en funcionamiento por primera vez, logrando la restricción más fuerte sobre materia oscura masiva en el mundo.
La detección indirecta, incluida la Detección de Partículas de Materia Oscura (DAMPE) y el experimento espacial AMS-02, ha acumulado más datos y ha proporcionado mediciones más precisas.
La búsqueda de materia oscura en el LHC del Gran Colisionador de Hadrones del CERN se está adentrando cada vez más en espacios de parámetros más complejos y en preparación para la próxima fase Run-3.
El Laboratorio Subterráneo de China Jinping (CJPL) es el laboratorio más profundo del mundo. Protege eficazmente la interferencia de los rayos cósmicos y proporciona un entorno experimental extremadamente superior. China ha llevado a cabo el experimento de xenón líquido PandaX y el experimento de germanio de alta pureza CDEX para detectar directamente la materia oscura.
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En los últimos 20 años, el experimento DAMA/LIBRA de Italia ha afirmado haber observado una señal de modulación anual producida por la materia oscura en cristales de NaI(Tl), pero los parámetros de señal de materia oscura correspondientes están excluidos de varios experimentos de detección directa.
Para probar esta señal sospechosa con mayor precisión, se han realizado intentos internacionales de realizar experimentos utilizando el mismo cristal de NaI(Tl) de bajo fondo.
En mayo de 2021, el Laboratorio Subterráneo Canfrac de España anunció los resultados de detección del experimento ANAIS utilizando un detector de cristales de NaI(Tl) de bajo fondo de 112,5 kg durante tres años de exposición. No se encontró ningún fenómeno de modulación anual evidente. . Se espera que para finales de 2022, el experimento tenga una exposición sensible de más de 3 veces la desviación estándar, lo que puede proporcionar conclusiones más precisas.
Otro experimento de coseno-100 utilizó 106 kg de cristal de NaI(Tl) de bajo fondo. No se encontró ninguna modulación anual obvia en los datos de exposición de 1,7 años en el laboratorio subterráneo de Yangyang en Corea del Sur.
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En 2020, el experimento de xenón líquido XENON1T en el laboratorio subterráneo de Gran Sasso en Italia observó una desviación estándar de más de 3 en los datos del retroceso de electrones de baja energía. con una exposición de 0,65 t a La señal sospechosa ha atraído una amplia atención en el campo de la teoría de la materia oscura y la investigación experimental, y existe una necesidad urgente de realizar más pruebas de experimentos similares.
El experimento de xenón líquido PandaX-II Fase II de 580 kg de China acumuló datos de irradiación de 100 t·d. Los espectros característicos de las principales impurezas radiactivas del xenón se obtuvieron directamente a partir de los datos de calibración y luego se basaron en estos datos de alta densidad. confiabilidad Análisis de espectro de firma de fondo de datos de retroceso de electrones.
Los resultados de PandaX-II muestran que la señal sospechosa observada por XENON1T no es inconsistente con los datos actuales y es necesario mejorar las estadísticas de datos y la sensibilidad de detección para dar una conclusión definitiva.
Los límites de exclusión de la constante de acoplamiento de materia oscura (A) del axión y el momento magnético anómalo (B) del neutrino en el experimento PandaX-II no son inconsistentes con la señal sospechada de XENON1T.
Muchos tipos de experimentos de detección de materia oscura se han actualizado y desarrollado a nivel internacional. Tres experimentos que utilizan xenón líquido como material objetivo, el PandaX-4T de China, el XENONnT de Europa y el experimento LZ de los Estados Unidos, han aumentado el volumen de detección a varias toneladas y se espera que la sensibilidad de detección aumente en más de un orden. de magnitud.
Entre ellos, el experimento de xenón líquido PandaX-4T se instaló y depuró a finales de 2020, convirtiéndose en el primer experimento de detección de xenón líquido de varias toneladas del mundo puesto en funcionamiento en la primera mitad de 2021. alcanzó 0,63 t a.
El detector PandaX-4T aplica una serie de nuevas tecnologías: se desarrolla una nueva generación de detector de cámara de proyección de tiempo ultra grande y altamente transparente, que mejora en gran medida la uniformidad del campo eléctrico del detector y la tasa de amplificación. de la señal electrónica, logrando una reconstrucción de la señal de alta resolución utilizando un método de lectura de datos sin disparadores, reduciendo efectivamente el umbral de detección de señales débiles; desarrollando un nuevo sistema de destilación de xenón a baja temperatura, purificando con éxito 6 toneladas de xenón y reduciendo el contenido; de la mezcla radiactiva kriptón-85 en PandaX -1/20 II. Utilizando eficazmente el autoprotección de xenón líquido, combinado con varios métodos de medición de radiactividad y procesos de limpieza de superficies, el fondo de radiactividad en el objetivo de detección de la unidad se reduce a 1/20 y el contenido de la impureza radiactiva radón 222 se reduce a 1/6.
La sensibilidad de detección del primer lote de datos de PandaX-4T es 2,6 veces mayor que la de PandaX-II, lo que proporciona el límite más fuerte del mundo en la sección transversal de dispersión de materia oscura masiva y espín nuclear que es independiente de la energía nuclear. girar.
El primer lote de datos de PandaX-4T
El límite de repulsión de la sección transversal de dispersión independiente del espín de la materia oscura
El área amarilla es el " "Neutrino Floor", que es la sensibilidad de detección. En el detector se pueden detectar las contribuciones de señales de neutrinos solares o atmosféricos.
Los datos también muestran que el experimento PandaX-4T comienza a golpear el llamado "suelo de neutrinos" cerca de una masa de materia oscura de 10 GeV/c, lo que significa que es posible detectar el boro producido por la energía nuclear solar. fusión 8 Señales de dispersión coherentes de neutrinos y núcleos de xenón. Esta dispersión será una forma importante de detectar neutrinos en el futuro.
Al mismo tiempo, la comunidad internacional comenzó a planificar decenas de toneladas de experimentos "definitivos" de detección de xenón líquido, uno de los cuales era aumentar la sensibilidad de la detección de materia oscura al "piso de neutrinos". El equipo experimental de PandaX desarrolló las tecnologías clave correspondientes.
Los detectores que utilizan argón líquido como material objetivo también tienen una sensibilidad de detección única para materia oscura masiva, y el desarrollo de detectores de argón de fondo bajo de decenas de toneladas también continúa avanzando.
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El experimento CDEX de China utiliza detectores de germanio de alta pureza con electrodos puntuales, que pueden detectar umbrales de energía bajos y tienen una alta sensibilidad a la materia oscura clara.
En 2021, el experimento CDEX anunció los resultados de la búsqueda de señales efectivas de materia oscura utilizando datos expuestos a 942,5 kg d.
En experimentos de detección directa, el impulso de transferencia de la interacción entre la materia oscura y la materia objetivo es pequeño y puede estudiarse sistemáticamente en forma de operadores de campo efectivos, cubriendo así de manera integral una variedad de posibles modelos teóricos de materia oscura.
En el análisis, el experimento CDEX redujo el umbral de detección a 160 eV. Para la materia oscura de baja masa, se dan sistemáticamente los límites superiores de las constantes de acoplamiento de varios modelos de campo efectivos en condiciones no relativistas.
Al mismo tiempo, se utilizó la teoría del campo efectivo quiral para obtener el WIMP más fuerte del mundo y el límite de repulsión de la sección transversal de dispersión de piones por debajo de 6 GeV/c 2 de masa.
Actualmente, el experimento CDEX está desarrollando un experimento de matriz de detección de germanio de alta pureza de 50 kg, que se espera que aumente la sensibilidad de detección en más de 2 órdenes de magnitud.
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Para la materia oscura de masa pequeña, los experimentos de detección directa también prueban diferentes esquemas de detección para superar el umbral de detección.
El experimento de detección de xenón líquido busca materia oscura de baja masa mediante efectos secundarios como señales de electrones ionizados independientemente (solo S2), radiación Migdal o Bremsstrahlung.
Por ejemplo, los resultados del análisis de datos puros de S2 publicados por el experimento PandaX a principios de 2021 se utilizaron para encontrar señales de dispersión de electrones y materia oscura. Proporcionaron la sección transversal de dispersión más fuerte del mundo en el rango de masa de materia oscura. Límite de 15~30 MeV/c2.
El experimento SENSEI utilizó un Skipper-CCD de alta impedancia de aproximadamente 2 gy anunció los resultados de los datos operativos de 24 días a finales de 2020, dando materia oscura y electrones con masas de 0,5 ~ 10 MeV. /c 2 El límite más fuerte del mundo para señales dispersas, el límite más fuerte del mundo para fotones oscuros con masas de 1,2~12,8 eV/c2.
El experimento SENSEI está ensamblando y probando módulos de detección de 100 g, que mejorarán enormemente la sensibilidad de la detección de materia oscura en este rango de masa.
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En términos de detección indirecta de materia oscura, el experimento DAMPE del satélite de exploración de materia oscura de China y el experimento de la Estación Espacial Internacional AMS-02 continúan acumulando datos.
En 2021, se anunciaron los datos físicos del experimento AMS-02 desde su funcionamiento durante 7 años, proporcionando resultados de medición de antielectrones y antiprotones más precisos.
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En términos de detección de colisionadores, los experimentos ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones LHC analizan continuamente todos los datos durante la operación Run-2 para encontrar la producción de materia oscura. procesos y señales de propagador intermedio.
La detección del colisionador no se ve inhibida por el tamaño del espín nuclear. Al buscar el proceso de materia oscura producido por la aniquilación de quarks o gluones, puede encontrar efectivamente el propagador intermedio del vector axial directamente a través del mismo. Doble inyección de * * * picos de vibración. Complementa los resultados de los experimentos de detección directa.
Al mismo tiempo, los experimentos en colisionadores buscan modelos de materia oscura para algunos procesos complejos. Entre ellos, el modelo del Higgs oscuro cree que el origen masivo de la materia oscura también puede tener un mecanismo de destrucción similar al del Higgs: el Higgs oscuro puede tener un proceso de desintegración similar al del Higgs.
El experimento ATLAS publicó en 2021 los primeros resultados de la búsqueda de la desintegración del Higgs oscuro en dos bosones vectoriales, limitando la masa del propagador intermedio y del Higgs oscuro.
La tercera fase del LHC está a punto de comenzar y Run-3 acumulará más datos para escanear más a fondo varios modelos de generación de materia oscura.
Investigación en astrofísica de neutrinos y partículas
La astrofísica de partículas está estrechamente relacionada con la investigación en física de partículas. Los rayos cósmicos tienen una alta energía que los aceleradores artificiales de la Tierra no pueden alcanzar, lo que nos proporciona valiosas muestras de materiales para comprender procesos físicos de energía extremadamente alta y buscar nueva física.
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En 2021, los logros más significativos en el campo de la astrofísica de partículas provienen del Observatorio de Rayos Cósmicos de Gran Altitud LHAASO, una importante infraestructura científica y tecnológica nacional en mi país.
LHAASO completó la construcción en 2021, aprobó con éxito la aceptación del proceso y entró oficialmente en la etapa de operación científica, llevando a cabo estudios de rayos gamma y rayos cósmicos con una sensibilidad sin precedentes.
Durante el período de construcción, basándose en los datos de la matriz 1/2, el equipo de cooperación LHAASO publicó el primer lote de resultados de observación: se descubrió una gran cantidad de aceleradores cósmicos de energía ultra alta en la Vía Láctea. , y se lograron avances importantes en la búsqueda del origen de los rayos cósmicos en Hanoi, la energía registrada fue Los fotones de rayos gamma de 1,4 PeV, que son los fotones de mayor energía observados por los humanos hasta ahora, crean una nueva ventana para las ultraaltas -Astronomía de rayos gamma de energía.
La Nebulosa del Cangrejo es una de las primeras 12 fuentes de rayos gamma de energía ultraalta descubiertas y durante mucho tiempo ha sido considerada la "vela estándar" en la astronomía de rayos gamma. Los últimos resultados de LHAASO establecen el estándar de brillo para las "velas estándar" en esta banda de energía ultra alta.
LHAASO observó fotones de rayos gamma de 0,88 PeV procedentes de la Nebulosa del Cangrejo.
Esta radiación de rayos γ de energía ultraalta produce electrones con bandas de energía superiores al PeV, acercándose al límite de aceleración permitido por la electrodinámica clásica y la teoría de la magnetohidrodinámica ideal, lo que plantea graves desafíos a las teorías de aceleración de partículas existentes.
En los próximos años, LHAASO continuará realizando estudios del cielo en el área del cielo norte, escaneando fuentes de rayos gamma y midiendo con precisión el espectro de energía de los rayos cósmicos en el área de la "rodilla", resolviendo así el siglo. -viejo misterio del origen de los rayos cósmicos.
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Otra muestra importante de materia de las profundidades del universo son los neutrinos de alta energía.
En 2021, el Observatorio de Neutrinos IceCube ubicado en el hielo antártico anunció el primer evento de oscilación glashow * * *: glashow predijo que los neutrinos antielectrónicos pueden interactuar con los electrones para producir el hijo W Bose.
La energía máxima del neutrino que produce la oscilación Glashow es de 6,3 PeV, que se puede obtener de entornos celestes extremos.
En este caso de lluvia, la energía del hielo es de 6,05±0,72 PeV. Teniendo en cuenta la energía invisible de la lluvia, la energía del neutrino se corrige a aproximadamente 6,3 PeV;. La señal del muón secundario detectada en el ejemplo indica el proceso de desintegración hadrónica del bosón W, lo que proporciona más evidencia de la vibración glashow ***.
Ace Cooperglashow* *El terremoto verificó una vez más el modelo estándar de la física de partículas y reveló la existencia de neutrinos antielectrones celestes.
Observaciones de Glashow * *Se espera que los eventos sísmicos limiten el mecanismo de producción de neutrinos celestes.
Los próximos años serán un momento crítico para el desarrollo de la astronomía de neutrinos. Múltiples grupos experimentales en el país y en el extranjero han propuesto una variedad de planes de telescopios de neutrinos de próxima generación para hielo, océanos y lagos, y datos de observación combinados de rayos gamma, rayos cósmicos y ondas gravitacionales para llevar a cabo investigaciones astronómicas con múltiples mensajeros.
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En la búsqueda de nueva física más allá del modelo estándar de neutrinos de tres sabores, el experimento MicroBooNE en el Laboratorio Nacional Acelerado Fermi ha publicado nuevas mediciones como resultado, No se encontraron signos de neutrinos estériles.
Anteriormente, experimentos de referencia corta como LSND y MiniBooNE descubrieron una cantidad anormal de neutrinos e introdujeron un cuarto tipo de neutrino: los neutrinos estériles.
No se encontraron neutrinos estériles en el experimento MicroBooNE, lo que indica que la diferencia necesita más estudios, y el número anormal de neutrinos sigue siendo un misterio sin resolver.
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En 2021, el experimento internacional de desintegración beta doble sin neutrinos se desarrolló rápidamente.
En experimentos a gran escala, CUORE y Kam? El experimento LAND-ZEN continúa recopilando datos por separado y el experimento sucesor de GERDA, LEGEND-200, está a punto de comenzar a funcionar.
El experimento de desintegración doble beta sin neutrinos de China se ha desarrollado vigorosamente en los últimos años. Muchos grupos experimentales han propuesto muchos planes experimentales diferentes, lo que ilustra una vez más la importancia y la importancia del problema de los neutrinos de Majorana.
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En 2021, la construcción del Experimento de Neutrinos de Jiangmen en China avanza sin problemas y se espera que la recopilación de datos comience en 2023. Se espera que la medición precisa de los niveles de masa de neutrinos y los parámetros de mezcla de neutrinos sea la primera en obtener resultados experimentales competitivos a nivel internacional.
Mañana presentaremos avances en tres campos: la investigación sobre el momento magnético anómalo de Zimu, la investigación sobre los sabores pesados y la física de hadrones, la física de Higgs en la frontera de las altas energías, la física débil de la electricidad y la búsqueda de Nueva física, ¡estad atentos!
El texto completo de este artículo se publicó en el número 1 de 2022 de "Science and Technology Herald", originalmente titulado "Una revisión de temas candentes en física de partículas en 2021". Este documento ha sido resumido. Bienvenido a suscribirse.