La quête des particules millichargées
Une plongée profonde dans la recherche de particules à charge millimétrique insaisissables en physique des particules.
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
― 9 min lire
Table des matières
- Qu'est-ce que les particules milichargées ?
- L'expérience LUX-ZEPLIN
- Rays cosmiques et interactions atmosphériques
- Recherche de mCPs
- Importance théorique des mCPs
- Modèles d'interaction
- Configuration expérimentale
- Défis de détection
- Bruit de fond
- Résultats et conclusions
- Directions futures
- Conclusion
- Source originale
- Liens de référence
La recherche de Particules milichargées (mCPs) est un sujet fascinant dans le domaine de la physique des particules. En gros, les mCPs sont des particules théoriques qui portent une toute petite fraction de la charge d'un électron. Pense à elles comme de petits "souris électriques" qui ont juste un petit peu de charge électrique. Les chercheurs sont super motivés pour trouver ces particules insaisissables, car elles pourraient donner des indices sur les secrets de l'univers.
Qu'est-ce que les particules milichargées ?
Les particules milichargées ne sont pas des particules ordinaires. Comparées aux particules classiques, elles ont une charge électrique bien plus petite, ce qui explique pourquoi elles peuvent être si difficiles à détecter. Ces particules pourraient venir de divers cadres théoriques, y compris la théorie des cordes et les théories de grande unification. Elles pourraient également interagir avec la matière noire, un type de matière qui n'émet pas de lumière et n'est pas directement observable. En d'autres termes, si les particules normales sont comme des célébrités bien connues, les mCPs sont comme une célébrité qui n'est apparue que dans quelques posts sur les réseaux sociaux.
L'expérience LUX-ZEPLIN
Un des principaux efforts pour trouver des mCPs a eu lieu lors de l'expérience LUX-ZEPLIN (LZ). Située à 4850 pieds sous terre, cette installation est comme un repaire secret pour des scientifiques essayant de percer les mystères de l'univers. L'expérience LZ utilise une chambre de projection temporelle en xénon à deux phases, ce qui est une façon sophistiquée de dire qu'elle a un dispositif capable de détecter de minuscules signaux d'énergie produits par les interactions entre les particules. L'équipe derrière cette expérience a récemment lancé une quête pour trouver des mCPs produits par des rays cosmiques — ces particules énergétiques qui traversent l'espace et frappent l'atmosphère terrestre.
Rays cosmiques et interactions atmosphériques
Les rays cosmiques sont un peu la façon dont l'univers garde les choses intéressantes. Quand ils entrent en collision avec des atomes dans notre atmosphère, ils créent une cascade de particules secondaires. Certaines de ces interactions peuvent produire des mCPs via deux processus connus : la désintégration des mésons et le bremsstrahlung des protons.
- Désintégration des mésons : C'est quand des mésons, un type de particule, se transforment en d'autres particules, y compris des mCPs.
- Bremsstrahlung des protons : Dans ce scénario, un proton d'un ray cosmique s'écrase contre un atome et produit des mCPs par l'émission de photons.
On pourrait dire que ces processus sont comme des rays cosmiques qui organisent une fête sauvage dans l'atmosphère, où parfois des mCPs sont invités !
Recherche de mCPs
Lors de sa première période scientifique, l'expérience LZ a enregistré des données pendant environ 60 jours, espérant trouver des signes de mCPs. Les chercheurs ont adopté une approche unique, utilisant les propriétés du xénon liquide (LXe) pour améliorer leurs efforts de recherche.
Imagine essayer de repérer une petite aiguille dans une énorme botte de foin. C'est ce que ça semble de chercher des mCPs. La recherche nécessitait un équipement très sensible pour attraper même les signaux les plus faibles de ces particules légères. Malheureusement, les chercheurs n'ont pas trouvé d'excès significatif de mCPs par rapport au Bruit de fond attendu, ce qui revient à entendre des grillons alors que tu voulais écouter un groupe de rock.
Importance théorique des mCPs
Bien que la recherche n'ait pas donné de résultats immédiats, la quête des particules milichargées est importante. L'existence des mCPs pourrait remettre en question notre compréhension actuelle de la physique des particules et éclairer la nature de la matière noire. Les scientifiques proposent que les mCPs pourraient constituer une petite fraction de la matière noire, ce qui est excitant car la matière noire est un des plus grands mystères de l'univers. Si ces petites particules existent, ce serait comme trouver une pièce de puzzle manquante qui rend le tableau plus clair.
Modèles d'interaction
Pour comprendre comment les mCPs pourraient se comporter, les chercheurs envisagent différents modèles d'interaction. Ces modèles décrivent comment les mCPs réagiraient lorsqu'ils rencontrent d'autres particules dans le détecteur.
- Modèle de l'électron libre : Ce modèle suppose que tous les électrons dans le LXe sont libres de bouger. C'est comme une fête où tout le monde danse librement sans soucis.
- Modèle d'ionisation par absorption de photons (PAI) : Ce modèle considère que certains électrons sont liés aux atomes et doivent travailler plus dur pour participer à la danse. C’est comme une fête où certains invités sont coincés dans un coin et ont besoin d'un petit coup de pouce pour se joindre.
En lançant des simulations avec ces deux modèles, les chercheurs peuvent mieux déterminer quel genre de signaux ils pourraient attendre des interactions des mCPs. C'est crucial pour savoir s'ils ont repéré un mCP ou si c'est juste le bruit de fond qui leur joue des tours.
Configuration expérimentale
L'équipement de l'expérience LZ est impressionnant. L'installation consiste en une grande chambre cylindrique remplie de xénon liquide, entourée de couches de matériaux protecteurs supplémentaires.
La chambre capture les signaux provenant des interactions entre particules, créant deux types de signaux distincts que les scientifiques analysent : la lumière de scintillation et les électrons d'ionisation. La danse complexe de ces signaux aide les chercheurs à déterminer où et quand une interaction de particules a eu lieu.
De plus, l'équipe de LZ utilise divers détecteurs pour s'assurer que les signaux sont authentiques et ne sont pas juste du bruit aléatoire. C’est l'équivalent d'avoir des gardes à la fête pour s'assurer qu'aucun invité non invité ne s'invite à la fête.
Défis de détection
Trouver des mCPs n'est pas facile. L'énergie déposée par les mCPs lors des interactions est souvent très faible, ce qui rend leur détection délicate. Pour détecter ces dépôts microscopiques, les chercheurs doivent être très réactifs. Ils doivent efficacement faire la distinction entre les signaux réels de mCP et le bruit de fond.
Les chercheurs doivent également considérer qu'en voyageant à travers les couches de la Terre, les mCPs perdent de l'énergie. Donc, au moment où ils atteignent les détecteurs, ils n'ont peut-être pas assez d'énergie pour générer un signal détectable. C'est comme si des invités à une fête se fatiguaient et quittaient avant de bien s'amuser.
Bruit de fond
L'expérience LZ doit également faire face à du bruit de fond, qui peut imiter les signaux attendus des mCPs. Deux types principaux de signaux de fond peuvent troubler les chercheurs :
- Événements de dispersion unique : Des événements où un vrai signal se superpose à des signaux plus petits et aléatoires causés par l'environnement.
- Événements de dispersion multiple : Des signaux de fond provenant de l'activité du détecteur lui-même, comme des fantômes hantant une fête.
Pour s'attaquer à ces imitations ennuyeuses, les chercheurs ont développé des critères de sélection rigoureux pour éliminer les signaux probablement faux et se concentrer sur les véritables interactions. Ce filtrage minutieux est nécessaire pour s'assurer que la recherche de mCPs soit aussi précise que possible.
Résultats et conclusions
Après tout ce travail acharné et la mise en œuvre de diverses techniques, l'équipe de LZ a conclu qu'elle n'avait pas détecté de mCPs lors de sa première période scientifique. Ce résultat s'aligne avec les attentes basées sur les modèles de fond. Malgré l'absence de découvertes palpitantes, les efforts de l'équipe ont contribué à une meilleure compréhension des mCPs potentiels et ont établi des contraintes sur leur existence.
Les chercheurs ont également collecté des informations précieuses qui aideront à la conception d'expériences futures visant à détecter des mCPs. Leur travail agit comme un bloc de construction dans la physique des particules, ouvrant la voie à de futures études et avancées dans le domaine.
Directions futures
Bien que la recherche de mCPs lors de cette période particulière n'ait pas été couronnée de succès, l'équipe LZ reste optimiste. Les prochaines périodes s'appuieront sur les connaissances acquises grâce à cette expérience et incorporeront des techniques et des méthodes améliorées.
La quête pour les mCPs se poursuit, et les chercheurs continueront d'explorer divers canaux de production et modèles. À mesure que la technologie avance, il pourrait y avoir une percée qui les aidera à attraper ces particules insaisissables. En attendant, la communauté scientifique gardera les lumières allumées à la fête de la physique des particules, espérant l'arrivée d'un invité surprise.
Conclusion
La chasse aux particules milichargées représente un chapitre passionnant dans la physique des particules. Même si l'expérience LZ n'a pas trouvé de mCPs lors de sa première période, les connaissances acquises et les contraintes mises en place fournissent une base solide pour de futures recherches. Le voyage de la découverte continue, et les chercheurs restent dévoués à percer les mystères de l'univers, même si ces mystères viennent avec une petite charge !
Source originale
Titre: First search for atmospheric millicharged particles with the LUX-ZEPLIN experiment
Résumé: 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.
Auteurs: 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
Dernière mise à jour: Dec 10, 2024
Langue: English
Source URL: https://arxiv.org/abs/2412.04854
Source PDF: https://arxiv.org/pdf/2412.04854
Licence: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Changements: Ce résumé a été créé avec l'aide de l'IA et peut contenir des inexactitudes. Pour obtenir des informations précises, veuillez vous référer aux documents sources originaux dont les liens figurent ici.
Merci à arxiv pour l'utilisation de son interopérabilité en libre accès.