La búsqueda de partículas con carga pequeña
Una inmersión profunda en la búsqueda de partículas milicargadas elusivas en la física de partículas.
J. Aalbers, D. S. Akerib, A. K. Al Musalhi, F. Alder, C. S. Amarasinghe, A. Ames, T. J. Anderson, N. Angelides, H. M. Araújo, J. E. Armstrong, M. Arthurs, A. Baker, S. Balashov, J. Bang, J. W. Bargemann, E. E. Barillier, D. Bauer, K. Beattie, T. Benson, A. Bhatti, A. Biekert, T. P. Biesiadzinski, H. J. Birch, E. Bishop, G. M. Blockinger, B. Boxer, C. A. J. Brew, P. Brás, S. Burdin, M. Buuck, M. C. Carmona-Benitez, M. Carter, A. Chawla, H. Chen, J. J. Cherwinka, Y. T. Chin, N. I. Chott, M. V. Converse, R. Coronel, A. Cottle, G. Cox, D. Curran, C. E. Dahl, I. Darlington, S. Dave, A. David, J. Delgaudio, S. Dey, L. de Viveiros, L. Di Felice, C. Ding, J. E. Y. Dobson, E. Druszkiewicz, S. Dubey, S. R. Eriksen, A. Fan, S. Fayer, N. M. Fearon, N. Fieldhouse, S. Fiorucci, H. Flaecher, E. D. Fraser, T. M. A. Fruth, R. J. Gaitskell, A. Geffre, J. Genovesi, C. Ghag, A. Ghosh, R. Gibbons, S. Gokhale, J. Green, M. G. D. van der Grinten, J. J. Haiston, C. R. Hall, T. J. Hall, S. Han, E. Hartigan-O'Connor, S. J. Haselschwardt, M. A. Hernandez, S. A. Hertel, G. Heuermann, G. J. Homenides, M. Horn, D. Q. Huang, D. Hunt, E. Jacquet, R. S. James, J. Johnson, A. C. Kaboth, A. C. Kamaha, Meghna K. K., D. Khaitan, A. Khazov, I. Khurana, J. Kim, Y. D. Kim, J. Kingston, R. Kirk, D. Kodroff, L. Korley, E. V. Korolkova, H. Kraus, S. Kravitz, L. Kreczko, V. A. Kudryavtsev, C. Lawes, D. S. Leonard, K. T. Lesko, C. Levy, J. Lin, A. Lindote, W. H. Lippincott, M. I. Lopes, W. Lorenzon, C. Lu, S. Luitz, P. A. Majewski, A. Manalaysay, R. L. Mannino, C. Maupin, M. E. McCarthy, G. McDowell, D. N. McKinsey, J. McLaughlin, J. B. McLaughlin, R. McMonigle, E. Mizrachi, A. Monte, M. E. Monzani, J. D. Morales Mendoza, E. Morrison, B. J. Mount, M. Murdy, A. St. J. Murphy, A. Naylor, H. N. Nelson, F. Neves, A. Nguyen, C. L. O'Brien, I. Olcina, K. C. Oliver-Mallory, J. Orpwood, K. Y Oyulmaz, K. J. Palladino, J. Palmer, N. J. Pannifer, N. Parveen, S. J. Patton, B. Penning, G. Pereira, E. Perry, T. Pershing, A. Piepke, Y. Qie, J. Reichenbacher, C. A. Rhyne, A. Richards, Q. Riffard, G. R. C. Rischbieter, E. Ritchey, H. S. Riyat, R. Rosero, T. Rushton, D. Rynders, D. Santone, A. B. M. R. Sazzad, R. W. Schnee, G. Sehr, B. Shafer, S. Shaw, T. Shutt, J. J. Silk, C. Silva, G. Sinev, J. Siniscalco, R. Smith, V. N. Solovov, P. Sorensen, J. Soria, I. Stancu, A. Stevens, K. Stifter, B. Suerfu, T. J. Sumner, M. Szydagis, D. R. Tiedt, M. Timalsina, Z. Tong, D. R. Tovey, J. Tranter, M. Trask, M. Tripathi, A. Usón, A. Vacheret, A. C. Vaitkus, O. Valentino, V. Velan, A. Wang, J. J. Wang, Y. Wang, J. R. Watson, L. Weeldreyer, T. J. Whitis, K. Wild, M. Williams, W. J. Wisniewski, L. Wolf, F. L. H. Wolfs, S. Woodford, D. Woodward, C. J. Wright, Q. Xia, J. Xu, Y. Xu, M. Yeh, D. Yeum, W. Zha, E. A. Zweig
― 8 minilectura
Tabla de contenidos
- ¿Qué Son las Partículas Milicargadas?
- El Experimento LUX-ZEPLIN
- Rayos Cósmicos e Interacciones Atmosféricas
- Buscando mCPs
- Importancia Teórica de los mCPs
- Modelos de Interacción
- El Montaje Experimental
- Desafíos en la Detección
- Ruido de Fondo
- Resultados y Hallazgos
- Direcciones Futuras
- Conclusión
- Fuente original
- Enlaces de referencia
La búsqueda de Partículas Milicargadas (mCPs) es un tema fascinante en el mundo de la física de partículas. Para ponerlo en palabras simples, los mCPs son partículas teóricas que llevan una pequeña fracción de la carga de un electrón. Piénsalos como "ratones eléctricos" diminutos que tienen solo un poquito de carga eléctrica. Los investigadores están deseosos de encontrar estas partículas escurridizas ya que podrían dar pistas sobre los secretos del universo.
¿Qué Son las Partículas Milicargadas?
Las partículas milicargadas no son partículas comunes y corrientes. En comparación con las partículas normales, tienen una carga eléctrica considerablemente más pequeña, por lo que pueden ser difíciles de encontrar. Estas partículas podrían surgir de varios marcos teóricos, incluyendo la teoría de cuerdas y teorías de gran unificación. También podrían interactuar con la materia oscura, que es un tipo de materia que no emite luz y no se puede observar directamente. En términos sencillos, si las partículas normales son como celebridades conocidas, los mCPs son como una celebridad que solo ha aparecido en un par de publicaciones en redes sociales.
El Experimento LUX-ZEPLIN
Uno de los esfuerzos principales para encontrar mCPs tuvo lugar en el experimento LUX-ZEPLIN (LZ). Ubicado a 4850 pies bajo tierra, este lugar es como un escondite secreto para los científicos que intentan resolver los misterios del universo. El experimento LZ utiliza una cámara de proyección temporal de xenón en fase dual, que es una forma elegante de decir que tiene un sistema que puede detectar señales de energía diminutas producidas por interacciones entre partículas. El equipo detrás de este experimento recientemente comenzó una búsqueda para encontrar mCPs producidas por Rayos Cósmicos, esas partículas energéticas que vuelan a través del espacio y golpean la atmósfera terrestre.
Rayos Cósmicos e Interacciones Atmosféricas
Los rayos cósmicos son como la forma en que el universo mantiene las cosas emocionantes. Cuando chocan con átomos en nuestra atmósfera, crean una cascada de partículas secundarias. Algunas de estas interacciones pueden producir mCPs a través de dos procesos conocidos: la desintegración de mesones y el bremsstrahlung de protones.
- Desintegración de Mesones: Esto es cuando los mesones, un tipo de partícula, se convierten en otras partículas, incluyendo mCPs.
- Bremsstrahlung de Protones: En este escenario, un protón de rayo cósmico choca con un átomo y produce mCPs mediante la emisión de fotones.
Podrías decir que estos procesos son como si los rayos cósmicos tiraran una fiesta salvaje en la atmósfera, donde a veces ¡los mCPs son invitados!
Buscando mCPs
Durante su primera corrida científica, el experimento LZ registró datos durante aproximadamente 60 días, esperando encontrar signos de mCPs. Los investigadores adoptaron un enfoque único, utilizando las propiedades del xenón líquido (LXe) para mejorar sus esfuerzos de búsqueda.
Imagina intentar encontrar una aguja diminuta en un vasto pajar. Así es como se siente buscar mCPs. La búsqueda requería un equipo muy sensible para captar incluso los signos más tenues de estas partículas ligeras. Desafortunadamente, los investigadores no encontraron ningún exceso significativo de mCPs sobre el Ruido de fondo esperado, lo cual es como escuchar grillos cuando querías escuchar una banda de rock.
Importancia Teórica de los mCPs
A pesar de que la búsqueda no dio resultados inmediatos, la búsqueda de partículas milicargadas es importante. La existencia de mCPs podría desafiar nuestra comprensión actual de la física de partículas y arrojar luz sobre la naturaleza de la materia oscura. Los científicos proponen que los mCPs podrían representar una pequeña fracción de la materia oscura, lo cual es emocionante porque la materia oscura es uno de los mayores misterios del universo. Si estas pequeñas partículas existen, sería como encontrar una pieza de rompecabezas perdida que hace que la imagen sea más clara.
Modelos de Interacción
Para entender cómo podrían comportarse los mCPs, los investigadores consideran diferentes modelos de interacción. Estos modelos describen cómo los mCPs reaccionarían cuando se encuentran con otras partículas en el detector.
- Modelo de Electrones Libres: Este modelo asume que todos los electrones en LXe son libres de moverse. Es como una fiesta donde todos están bailando sin preocupaciones.
- Modelo de Ionización por Absorción de Fotones (PAI): Este modelo considera que algunos electrones están atados a átomos y tienen que esforzarse más para participar en el baile. Es como una fiesta donde algunos invitados están atrapados en la esquina y necesitan un poco de ánimo para unirse.
Al ejecutar simulaciones con estos dos modelos, los investigadores pueden determinar mejor qué tipo de señales podrían esperar de las interacciones de mCP. Esto es crucial para averiguar si han detectado un mCP o si es solo el ruido de fondo jugándoles una mala pasada.
El Montaje Experimental
El equipo del experimento LZ es impresionante. La configuración consiste en una gran cámara cilíndrica llena de xenón líquido, rodeada de capas de materiales protectores adicionales.
La cámara captura las señales de las interacciones de partículas, creando dos tipos distintos de señales que los científicos analizan: luz de scintilación y electrones de ionización. La compleja danza de estas señales ayuda a los investigadores a determinar dónde y cuándo ocurrió una interacción de partículas.
Además, el equipo de LZ utiliza varios detectores para asegurarse de que las señales sean genuinas y no solo ruido aleatorio. Es como tener guardias en la fiesta para asegurarse de que no haya invitados no deseados que arruinen la fiesta.
Desafíos en la Detección
Encontrar mCPs no es fácil. La energía depositada por los mCPs durante las interacciones suele ser muy pequeña, lo que hace que sea un desafío detectarlos. Para detectar estos depósitos minúsculos, los investigadores necesitan ser muy rápidos. Deben distinguir eficazmente entre señales reales de mCP y el ruido de fondo.
Los investigadores también tienen que considerar que a medida que los mCPs viajan a través de las capas de la Tierra, pierden energía. Entonces, para cuando llegan a los detectores, es posible que no tengan suficiente energía para generar una señal detectable. Esto es como si los invitados de una fiesta se cansaran y se fueran antes de pasar un buen rato.
Ruido de Fondo
El experimento LZ también lidia con ruido de fondo, que puede imitar las señales esperadas de los mCPs. Dos tipos principales de señales de fondo pueden confundir a los investigadores:
- Eventos de Dispersión Única: Eventos donde una señal verdadera se superpone con señales pequeñas aleatorias causadas por el entorno.
- Eventos de Dispersión Múltiple: Señales de fondo provenientes de la actividad del propio detector, como fantasmas acechando una fiesta.
Para lidiar con estos molestos imitadores, los investigadores desarrollaron rigurosos criterios de selección para filtrar señales falsas y centrarse en interacciones genuinas. Este cuidadoso filtrado es necesario para asegurar que la búsqueda de mCPs sea lo más precisa posible.
Resultados y Hallazgos
Después de todo el trabajo duro y la implementación de varias técnicas, el equipo de LZ concluyó que no habían detectado ningún mCP durante su primera corrida científica. Este resultado se alinea con las expectativas basadas en los modelos de fondo. A pesar de la falta de descubrimientos emocionantes, los esfuerzos del equipo contribuyeron a una comprensión más amplia de los potenciales mCPs y establecieron restricciones sobre su existencia.
Los investigadores también reunieron información valiosa que ayudará en futuros diseños experimentales destinados a detectar mCPs. Su trabajo actúa como un bloque de construcción en la física de partículas, allanando el camino para futuros estudios y avances en el campo.
Direcciones Futuras
Aunque la búsqueda de mCPs en esta corrida particular no fue exitosa, el equipo de LZ se mantiene optimista. Las futuras corridas se basarán en el conocimiento adquirido de esta experiencia e incorporarán técnicas y métodos mejorados.
La búsqueda de mCPs continúa, y los investigadores seguirán explorando varios canales de producción y modelos. A medida que la tecnología avanza, podría haber un avance que les ayude a atrapar estas partículas escurridizas. Hasta entonces, la comunidad científica mantendrá las luces encendidas en la fiesta de la física de partículas, esperando un invitado sorpresa que se presente.
Conclusión
La caza de partículas milicargadas representa un capítulo emocionante en la física de partículas. Aunque el experimento LZ no encontró mCPs en su primera corrida, el conocimiento obtenido y las restricciones establecidas proporcionan una base sólida para futuras búsquedas. La jornada de descubrimiento continúa, y los investigadores siguen dedicados a desentrañar los misterios del universo, ¡incluso si esos misterios vienen con una pequeña carga!
Fuente original
Título: First search for atmospheric millicharged particles with the LUX-ZEPLIN experiment
Resumen: We report on a search for millicharged particles (mCPs) produced in cosmic ray proton atmospheric interactions using data collected during the first science run of the LUX-ZEPLIN experiment. The mCPs produced by two processes -- meson decay and proton bremsstrahlung -- are considered in this study. This search utilized a novel signature unique to liquid xenon (LXe) time projection chambers (TPCs), allowing sensitivity to mCPs with masses ranging from 10 to 1000 MeV/c$^2$ and fractional charges between 0.001 and 0.02 of the electron charge e. With an exposure of 60 live days and a 5.5 tonne fiducial mass, we observed no significant excess over background. This represents the first experimental search for atmospheric mCPs and the first search for mCPs using an underground LXe experiment.
Autores: J. Aalbers, D. S. Akerib, A. K. Al Musalhi, F. Alder, C. S. Amarasinghe, A. Ames, T. J. Anderson, N. Angelides, H. M. Araújo, J. E. Armstrong, M. Arthurs, A. Baker, S. Balashov, J. Bang, J. W. Bargemann, E. E. Barillier, D. Bauer, K. Beattie, T. Benson, A. Bhatti, A. Biekert, T. P. Biesiadzinski, H. J. Birch, E. Bishop, G. M. Blockinger, B. Boxer, C. A. J. Brew, P. Brás, S. Burdin, M. Buuck, M. C. Carmona-Benitez, M. Carter, A. Chawla, H. Chen, J. J. Cherwinka, Y. T. Chin, N. I. Chott, M. V. Converse, R. Coronel, A. Cottle, G. Cox, D. Curran, C. E. Dahl, I. Darlington, S. Dave, A. David, J. Delgaudio, S. Dey, L. de Viveiros, L. Di Felice, C. Ding, J. E. Y. Dobson, E. Druszkiewicz, S. Dubey, S. R. Eriksen, A. Fan, S. Fayer, N. M. Fearon, N. Fieldhouse, S. Fiorucci, H. Flaecher, E. D. Fraser, T. M. A. Fruth, R. J. Gaitskell, A. Geffre, J. Genovesi, C. Ghag, A. Ghosh, R. Gibbons, S. Gokhale, J. Green, M. G. D. van der Grinten, J. J. Haiston, C. R. Hall, T. J. Hall, S. Han, E. Hartigan-O'Connor, S. J. Haselschwardt, M. A. Hernandez, S. A. Hertel, G. Heuermann, G. J. Homenides, M. Horn, D. Q. Huang, D. Hunt, E. Jacquet, R. S. James, J. Johnson, A. C. Kaboth, A. C. Kamaha, Meghna K. K., D. Khaitan, A. Khazov, I. Khurana, J. Kim, Y. D. Kim, J. Kingston, R. Kirk, D. Kodroff, L. Korley, E. V. Korolkova, H. Kraus, S. Kravitz, L. Kreczko, V. A. Kudryavtsev, C. Lawes, D. S. Leonard, K. T. Lesko, C. Levy, J. Lin, A. Lindote, W. H. Lippincott, M. I. Lopes, W. Lorenzon, C. Lu, S. Luitz, P. A. Majewski, A. Manalaysay, R. L. Mannino, C. Maupin, M. E. McCarthy, G. McDowell, D. N. McKinsey, J. McLaughlin, J. B. McLaughlin, R. McMonigle, E. Mizrachi, A. Monte, M. E. Monzani, J. D. Morales Mendoza, E. Morrison, B. J. Mount, M. Murdy, A. St. J. Murphy, A. Naylor, H. N. Nelson, F. Neves, A. Nguyen, C. L. O'Brien, I. Olcina, K. C. Oliver-Mallory, J. Orpwood, K. Y Oyulmaz, K. J. Palladino, J. Palmer, N. J. Pannifer, N. Parveen, S. J. Patton, B. Penning, G. Pereira, E. Perry, T. Pershing, A. Piepke, Y. Qie, J. Reichenbacher, C. A. Rhyne, A. Richards, Q. Riffard, G. R. C. Rischbieter, E. Ritchey, H. S. Riyat, R. Rosero, T. Rushton, D. Rynders, D. Santone, A. B. M. R. Sazzad, R. W. Schnee, G. Sehr, B. Shafer, S. Shaw, T. Shutt, J. J. Silk, C. Silva, G. Sinev, J. Siniscalco, R. Smith, V. N. Solovov, P. Sorensen, J. Soria, I. Stancu, A. Stevens, K. Stifter, B. Suerfu, T. J. Sumner, M. Szydagis, D. R. Tiedt, M. Timalsina, Z. Tong, D. R. Tovey, J. Tranter, M. Trask, M. Tripathi, A. Usón, A. Vacheret, A. C. Vaitkus, O. Valentino, V. Velan, A. Wang, J. J. Wang, Y. Wang, J. R. Watson, L. Weeldreyer, T. J. Whitis, K. Wild, M. Williams, W. J. Wisniewski, L. Wolf, F. L. H. Wolfs, S. Woodford, D. Woodward, C. J. Wright, Q. Xia, J. Xu, Y. Xu, M. Yeh, D. Yeum, W. Zha, E. A. Zweig
Última actualización: 2024-12-10 00:00:00
Idioma: English
Fuente URL: https://arxiv.org/abs/2412.04854
Fuente PDF: https://arxiv.org/pdf/2412.04854
Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Cambios: Este resumen se ha elaborado con la ayuda de AI y puede contener imprecisiones. Para obtener información precisa, consulte los documentos originales enlazados aquí.
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