Rewolucyjne podejście do Wielkiego Zderzacza Hadronów

Naukowcy badają, czy cząstki ciemnej materii rzeczywiście powstają w strumieniu cząstek Modelu Standardowego.

Istnienie ciemnej materii jest od dawna zagadką naszego wszechświata. Ciemna materia stanowi około jednej czwartej naszego Wszechświata, ale nie oddziałuje znacząco ze zwykłą materią. Istnienie ciemnej materii zostało potwierdzone przez serię obserwacji astrofizycznych i kosmologicznych, w tym najnowsze wspaniałe zdjęcia wykonane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Jednak jak dotąd nie odnotowano żadnych eksperymentalnych obserwacji ciemnej materii. Istnienie ciemnej materii jest kwestią, którą naukowcy zajmujący się wysokimi energiami i astrofizycy na całym świecie badają od dziesięcioleci.

Postępy w badaniach ciemnej materii

„Dlatego prowadzimy badania z zakresu nauk podstawowych, aby zgłębić najgłębsze tajemnice wszechświata. Wielki Zderzacz Hadronów w CERN „To największy eksperyment, jaki kiedykolwiek przeprowadzono, a zderzenia cząstek tworzące warunki podobne do Wielkiego Wybuchu można wykorzystać do poszukiwania śladów ciemnej materii” – mówi profesor Deepak Kar z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Witwatersrand w Johannesburgu. Afryka Południowa. .

Graficzne przedstawienie tego, jak prawie widoczne dżety wyglądałyby w detektorze ATLAS, gdyby istniały. Źródło: CERN

Pracując nad eksperymentem ATLAS w CERN, Carr i była doktorantka Sukanya Sinha (obecnie pracownik naukowy ze stopniem doktora na Uniwersytecie w Manchesterze) opracowali nowy sposób poszukiwania ciemnej materii. Wyniki ich badań opublikowano w czasopiśmie pt. Litery fizyki B.

Nowe podejście do wykrywania ciemnej materii

„W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci w LHC prowadzono wiele poszukiwań ciemnej materii, które skupiały się na słabo oddziałujących masywnych cząstkach, zwanych WIMP” – mówi Carr. „WIMPS to jedna z klas cząstek, co do których przypuszcza się, że wyjaśniają ciemną materię, ponieważ nie absorbują ani nie emitują światła i nie oddziałują silnie z innymi cząstkami. Ponieważ jednak jak dotąd nie znaleziono żadnych dowodów na istnienie WIMP, mamy zdał sobie sprawę, że poszukiwanie ciemnej materii wymaga skoku kwantowego.

Doktor Sukanya Sinha i profesor Deepak Kar. Źródło: Uniwersytet Wits

„Zastanawialiśmy się, czy cząstki ciemnej materii rzeczywiście powstają w strumieniu cząstek Modelu Standardowego” – powiedział Carr. Doprowadziło to do odkrycia nowej sygnatury detektora, zwanej prawie widzialnymi dżetami, której naukowcy nigdy wcześniej nie badali.

Zderzenia protonów o wysokiej energii często powodują powstanie równoległych rozprysków cząstek zebranych w tak zwanych dżetach, powstałych w wyniku rozpadu zwykłych kwarków lub gluonów. Półwidoczne przepływy mogą powstać, gdy wirtualne ciemne kwarki rozpadają się częściowo na kwarki Modelu Standardowego (znane cząstki), a częściowo na stabilne ciemne hadrony („część niewidzialna”). Ponieważ są one produkowane parami, zwykle razem z dodatkowymi dyszami w modelu standardowym, w detektorze powstaje brak równowagi energetycznej lub utrata energii, gdy wszystkie strumienie nie są idealnie zrównoważone. Kierunek utraconej energii często odpowiada jednemu z prawie widocznych dżetów.

To sprawia, że ​​poszukiwanie prawie widocznych dżetów jest bardzo trudne, ponieważ sygnatura zdarzenia może również powstać w wyniku nieprawidłowego pomiaru dżetów na detektorze. Nowa metoda poszukiwania ciemnej materii autorstwa Carra i Sinhy otwiera nowe kierunki w poszukiwaniu istnienia ciemnej materii.

„Chociaż moja praca doktorska nie zawiera odkrycia ciemnej materii, wyznacza ona pierwsze i dość rygorystyczne górne granice tego sposobu produkcji i już stanowi inspirację do dalszych badań” – mówi Sinha.

Współpraca ATLAS w CERN podkreśliła to jako jeden z kluczowych wyników, które mają zostać ogłoszone podczas letnich konferencji.

Odniesienie: „Badanie nierezonansowej produkcji prawie widocznych dżetów przy użyciu danych ATLAS Run 2” autorstwa The ATLAS Collaboration, 11 listopada 2023 r., Litery fizyki B.
doi: 10.1016/j.physletb.2023.138324

Eksperymenty przeprowadzone w Wielkim Zderzaczu Hadronów w Europie, takie jak pokazany tutaj kalorymetr ATLAS, zapewniają dokładniejsze pomiary cząstek elementarnych. Źródło obrazu: Maximilian Price, CERN

Doświadczenie Atlasa

Eksperyment ATLAS jest jednym z najważniejszych przedsięwzięć naukowych CERN, Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych. Jest kluczową częścią Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), największego i najpotężniejszego akceleratora cząstek na świecie. Zlokalizowany niedaleko Genewy ośrodek ATLAS, czyli „A Toroid LHC ApparatuS”, skupia się na badaniu podstawowych aspektów fizyki.

ATLAS ma na celu badanie szerokiego zakresu zagadnień naukowych. Stara się zrozumieć podstawowe siły, które kształtowały nasz świat od zarania dziejów i które zadecydują o jego losach. Jednym z jego głównych celów jest badanie bozonu Higgsa, cząstki powiązanej z polem Higgsa, które nadaje masę innym cząstkom. Odkrycie bozonu Higgsa w 2012 roku, będące wspólnym wysiłkiem ATLAS i eksperymentu CMS (Compact Muon Solenoid), było przełomowym osiągnięciem w fizyce.

Eksperyment szuka także oznak nowej fizyki, w tym pochodzenia masy, dodatkowych wymiarów i cząstek, które mogą tworzyć ciemną materię. ATLAS dokonuje tego poprzez analizę niezliczonych cząstek powstających podczas zderzeń protonów z prędkością bliską prędkości światła wewnątrz LHC.

Sam detektor ATLAS jest cudem techniki. Jest ogromny, ma około 45 metrów długości, 25 metrów średnicy i waży około 7000 ton. Detektor składa się z różnych warstw, z których każda jest zaprojektowana do wykrywania innego rodzaju cząstek powstałych w wyniku zderzeń proton-proton. Obejmuje szereg technologii: znaczniki do wykrywania trajektorii cząstek, kalorymetry do pomiaru ich energii oraz spektrometry mionowe do identyfikacji i pomiaru mionów – rodzaju ciężkich elektronów, który ma fundamentalne znaczenie w wielu badaniach fizycznych.

Dane gromadzone przez ATLAS są ogromne, często opisywane w petabajtach. Dane te są analizowane przez globalną społeczność naukowców, co przyczynia się do zrozumienia podstawowych fizyki i potencjalnie prowadzi do nowych odkryć i technologii.