"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF8943
ETF8943 "Tumeda aine ühendteooriate otsesed ja kaudsed testid (1.01.2011−31.12.2014)", Kristjan Kannike, Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituut.
ETF8943
Tumeda aine ühendteooriate otsesed ja kaudsed testid
Direct and Indirect Tests of Unified Models of Dark Matter
1.01.2011
31.12.2014
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ValdkondAlamvaldkondCERCS erialaFrascati Manual’i erialaProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.10. FüüsikaP210 Elementaarosakeste füüsika, kvantväljade teooria 1.2. Füüsikateadused (astronoomia ja kosmoseteadus, füüsika ja teised seotud teadused)50,0
4. Loodusteadused ja tehnika4.10. FüüsikaP211 Kõrgenergeetiliste vastasmõjude uuringud, kosmiline kiirgus 1.2. Füüsikateadused (astronoomia ja kosmoseteadus, füüsika ja teised seotud teadused)50,0
AsutusRollPeriood
Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituutkoordinaator01.01.2011−31.12.2014
PerioodSumma
01.01.2011−31.12.201110 200,00 EUR
01.01.2012−31.12.201210 200,00 EUR
01.01.2013−31.12.201310 200,00 EUR
01.01.2014−31.12.201410 200,00 EUR
40 800,00 EUR

Paljud eksperimentaalsed mõõtmised näitavad, et 83% Unversumi ainest on tundmatu ainevorm, tumeaine. Aastatel 2008-2009 leiti PAMELA ja Fermi mõõtmisandmetest, et kosmilistes kiirtes on energiavahemikus 80-800 GeV rohkem positrone, kui ennustab Galaktika standardmudel. Positronide liig võib tulla tumeaine annihilatsioonist või lagunemisest. Seda tulemust kinnitasid ka teised eksperimendid: HESS, ATIC ja PPB-BETS. Käesoleva aasta alguses avaldas Fermi difuusse gammakiirguse spektri, mis võib anda olulist lisainfot elektronide ja positronide sekundaarkiirguse kohta. Otsesed tume- ja tavaaine põrgete mõõtmised võivad samuti kinnitada või ümber lükata kaudsetest mõõtmistest saadud tulemusi. Maa-alune eksperiment CDMS-II viitab sellele, et tumeaine osake on suhteliselt kerge, 100 GeV. Lähiaastatel on oodata otseste mõõtmiste olulist täpsustumist. Seetõttu on lähitulevik tumeaine uurimises väga oluline. Kiire areng valdkonnas pakub palju võimalusi noortele teadlastele ja värsketele ideedele. Projekti tegevus hõlmab kolme tegevussuunda. (1) Enamik tumeaine mudeleid kirjeldavad ainult madala energia fenomenoloogiat. Plaanime tumeaine fenomenoloogia lülitada fundamentaalsemasse Suurde Ühendteooriasse. (2) Võrdleme loodud mudelite ennustusi eksperimentaalsete tulemustega satelliitidelt, õhupallidelt, maa-alustelt eksperimentidelt ja CERN LHC kiirendilt. (3) Eksperimenditulemuste mudelsõltumatu analüüs võimaldab välja arvutada selgeid ja üldisi piiranguid, mis on väga kasulikudkõigile mudeliehitajatele. Projektis jätkame ja laiendame oma senist sellesuunalist tegevust, kaasates maksimaalset hulka andmeid: laetud kosmilised kiired, gammakiirgus, sünkrotronkiirgus, kosmoloogilised kaudsed signaalid (reliktkiirguse optiline sügavus ja polarisatsioon) ja otseste hajumiste mõõtmised. Projekti meeskond koosneb neljast noorest ja aktiivsest teadlasest. Meeskond valdab kõiki projekti teostamiseks vajalikke oskusi: osakeste- ja astroosakeste füüsika, kosmoloogia, arvutusmeetodid, tarkvara ja IT vahendid. Projekti raames teeme koostööd füüsikutega CERN CMS eksperimendi juures; Tartu Observatooriumis; Brüsseli, Kalifornia, Rooma, Helsingi ja Kanazava Ülikoolis ja WLCG projektis.
Diverse, observations suggest that 83% of the matter in the Universe is in an unknown form called dark matter (DM). In 2008-2009, the PAMELA and the Fermi satellite have shown a deviation of the cosmic ray electron-positron spectrum from the standard Galactic cosmic ray diffusion model in the energy region of 80-800 GeV. The excess of positrons may come from annihilation or decay of DM. The HESS telescope and the ATIC and PPB-BETS balloon experiments have strengthened the result. Very recently, Fermi published the diffuse full-sky gamma-ray spectrum, which can shed light on the secondary radiation from electrons and positrons.The just launched Planck satellite can measure wide set of indirect effects of DM annihilation/decay. The indirect DM searches are accompanied by underground direct detection experiments to measure the scattering between DM and normal matter. The CDMS-II experiment points to the intriguing possibility that DM has a relatively low mass around 100 GeV. The sensitivity of direct DM experiments will be improved further in next years. Therefore, the near future will be crucial for the studies of DM. Rapid progress in astroparticle physics implies interesting researchers and developing new ideas. The aims of the project are threefold. (1) Most of the DM models are phenomenological low energy models. We plan to embed DM phenomenology into fundamental high energy Grand Unified Theories to look for the fundamental origin of DM. (2) We will derive predictions from these models and confront them with experimental data from satellites, telescopes and balloons, underground direct detection and collider experiment (Large Hadron Collider at CERN). (3) Model independent analyses of experimental data give clear and rough constraints for the model builders. We continue and wider our previous analyses for all different data channels: charged cosmic rays, gamma-rays, synchrotron radio signal, cosmological signals (optical depth and polarization of cosmic microwave background) and direct scattering detections. The project team involves four young and active researchers covering all needed expertise: particle and astroparticle physics, cosmology, computational methods, wide set of software and IT tools. We are collaborating with physicist from the CERN CMS experiment, Tartu Observatory, University Libre de Bruxelles, University of California, Rome, Helsinki and Kanazawa, and the Baltic Grid and WLCG projects.
Projekti peaeesmärgid on saavutatud. Uurisime skalaarset tumeainet, mis võib olla seotud SO(10) suure ühendteooriaga. Näitasime, et inertse dubleti ja kompleksse singleti tumeaine mudeli laetud Higgsi osakeste on võimalik avastada LHC kiirendis. Enamikus mudeleis stabiliseerib tumeainet peegelsümmeetria Z2. Näitasime, et antud mudeli ning ka kompleksse singleti mudeli fenomenoloogia muutub tunduvalt, kui tumeainet stabiliseeriv sümmeetria pole mitte Z2, vaid Z3 või Z4. Tegime järeldusi mudelite avastamisvõimaluste kohta detektorites nagu XENON või LUX. Uued mudelid tegime kättesaadavaks tuntud tumeaine arvutuspaketis micrOMEGAs. Uurisime astronoomilisi signaalide võimalikku seost tumeainega, sealhulgas Galaktika keskme ja galaktikaparvede võimalikku gammasignaali, mille mõõtis FERMI-LAT tehiskaaslane. Uurisime, kas Tevatroni top kvargi asümmeetria võib olla seotud tumeainega. Klassikaline skaalainvariantsus võib olla samm hierarhiaprobleemi lahendamise poole. Higgsi osakese mass genereeritakse seal dünaamiliselt vastastikmõjus tumeda sektoriga. Uurisime skaalainvariantsete mudelite ennustusi tumeainele, sealhulgas tumedat supersümmeetriat, ning inflatsioonile. Uurisime, kuivõrd vastavad LHC-s avastatud Higgsi bosoni omadused Standardmudeli ennustustele, ning seadsime piiranguid uue füüsika mudelitele, mis neid omadusi muudavad. Esitasime tulemused "universaalses" formaadis, et neid oleks kerge kasutada. Uurisime supersümmeetrilise NMSSM mudeli Higgsi sektori avastamisvõimalusi 8 TeV ja 14 TeV LHC-s, võimalust leida neid kaudselt Higgsi osakese kaudu või difootonkanalis. Projekti tulemusena avaldati 24 teadusartiklit (klass 1.1) osakestefüüsika fenomenoloogia alal. CERN-i CMS kollaboratsiooni koosseisus avaldati rida eksperimendiartikleid erinevatel teemadel, millest tähtsaim oli kahtlemata uue osakese, Higgsi bosoni avastamine. Uusi tulemusi oleme tutvustanud rahvusvahelistel konverentsidel. Magistrantidel ja doktorantidel võimaldati käia koolitustel ja oma tulemusi tutvustada. Projekti käigus täiendatud arvutuspaketid nagu micrOMEGAs on avalikult kättesaadavad.