Największy na świecie niszczyciel atomów może tracić ciemną materię. Ale fizycy uzyskują wyraźniejszy obraz tego, jak mogłaby wyglądać ta utracona ciemna materia - jeśli w ogóle istnieje.
ATLAS, wykrywacz bardzo dużych cząstek w genialnym dużym zderzaczu hadronów (LHC), jest najbardziej znany z odkrywania bozonu Higgsa w 2012 roku. Teraz zaczął poszukiwać jeszcze bardziej egzotycznych cząstek - w tym teoretycznych „supersymetrycznych” „cząstki lub cząstki partnerskie wszystkich znanych cząstek we wszechświecie.
Jeśli supersymetria jest prawdziwa, niektóre z tych cząstek mogłyby wyjaśnić niewidzialną ciemną materię rozprzestrzeniającą się po naszym wszechświecie. Teraz para wyników zaprezentowanych na marcowej konferencji ATLAS pozwoliła na jak najdokładniejszy opis tego, jak wyglądałyby te hipotetyczne cząstki.
Niewidoczna materia
Cofnijmy się.
Ciemna materia jest niewidocznym materiałem, który może stanowić większość wszechświata. Istnieje wiele powodów, aby podejrzewać, że istnieje, chociaż nikt tego nie widzi. Ale oto najbardziej oczywista: galaktyki istnieją.
Rozglądając się po naszym wszechświecie, naukowcy widzą, że galaktyki nie wydają się wystarczająco masywne, aby związać się z grawitacją ich widocznych gwiazd i innych zwykłych materii. Gdyby wszystko, co widzieliśmy, było wszystkim, galaktyki rozpadłyby się. To sugeruje, że pewna niewidzialna ciemna materia jest skupiona w galaktykach i utrzymuje je razem ze swoją grawitacją.
Ale żadna ze znanych cząstek nie jest w stanie wyjaśnić kosmicznej sieci galaktyk. Więc większość fizyków zakłada, że istnieje coś jeszcze, cząstka (lub cząstki), której nigdy nie widzieliśmy, a która tworzy całą tę ciemną materię.
Fizycy eksperymentalni zbudowali wiele detektorów, aby na nie polować.
Eksperymenty te działają na różne sposoby, ale w istocie wiele sprowadza się do umieszczenia dużej części rzeczy w bardzo ciemnym pokoju i bardzo uważnego oglądania. W końcu, zgodnie z teorią, jakaś cząstka ciemnej materii uderzy w dużą bryłę rzeczy i spowoduje, że zacznie migotać. I w zależności od natury rzeczy i połysku, fizycy dowiedzą się, jak wyglądała cząstka ciemnej materii.
ATLAS przyjmuje odwrotne podejście, szukając cząstek ciemnej materii w jednym z najjaśniejszych miejsc na Ziemi. LHC to bardzo duża maszyna, która rozbija cząstki razem z niewiarygodnie dużymi prędkościami. Wewnątrz swoich mil rur znajduje się coś w rodzaju ciągłego wybuchu nowych cząstek powstających w tych zderzeniach. Kiedy ATLAS odkrył bozon Higgsa, zobaczył grupę bozonów Higgsa, które faktycznie zostały stworzone przez LHC.
Niektórzy teoretycy uważają, że LHC może również tworzyć określone rodzaje cząstek ciemnej materii: supersymetrycznych partnerów znanych cząstek. Słowo „supersymetria” odnosi się do teorii, że wiele znanych cząstek w fizyce ma nieodkrytych „partnerów”, które są znacznie trudniejsze do wykrycia. Teoria ta nie została udowodniona, ale gdyby była prawdziwa, uprościłoby wiele nieporządnych równań, które obecnie rządzą fizyką cząstek.
Możliwe jest również, że cząstki supersymetryczne o właściwych właściwościach mogą odpowiadać za część lub całość brakującej ciemnej materii we wszechświecie. A jeśli powstają w LHC, ATLAS powinien być w stanie to udowodnić.
Polowanie na cząstki supersymetryczne
Ale jest problem. Fizycy są coraz bardziej przekonani, że jeśli te supersymetryczne cząstki powstają w LHC, wylatują z detektora przed rozpadem. Jest to problem, jak wcześniej informował Live Science, ponieważ ATLAS nie wykrywa bezpośrednio egzotycznych cząstek supersymetrycznych, ale widzi bardziej powszechne cząstki, na które cząsteczki supersymetryczne przekształcają się po rozpadzie… Jeśli cząstki supersymetryczne wystrzeliwują z LHC przed rozpadem, jednak wtedy ATLAS nie widzi tego podpisu, więc jego badacze wymyślili twórczą alternatywę: polowanie, wykorzystujące statystyki z milionów zderzeń cząstek w LHC, dla dowodów, że czegoś jeszcze brakuje.
„Ich obecność można wywnioskować jedynie na podstawie wielkości brakującego pędu poprzecznego zderzenia” - stwierdzili naukowcy w oświadczeniu.
Dokładne zmierzenie brakującego pędu jest jednak trudnym zadaniem.
„W gęstym środowisku licznych nakładających się kolizji generowanych przez LHC rozróżnienie między autentycznym a fałszywym może być trudne”, naukowcy powiedzieli…
Jak dotąd to polowanie niczego nie ujawniło. Ale to przydatna informacja. Ilekroć dany eksperyment z ciemną materią kończy się niepowodzeniem, dostarcza badaczom informacji o tym, jak ciemna materia nie wygląda. Fizycy nazywają ten zawężający się proces „ograniczaniem” ciemnej materii.
Te dwa wyniki z marca, oparte na statystycznych poszukiwaniach brakującego pędu, pokazują, że jeśli istnieją pewne supersymetryczne kandydatury ciemnej materii (zwane ładowarki, spiny i supersymetryczne kwarki denne), muszą mieć szczególne cechy, których ATLAS jeszcze nie wykluczył.
Jeśli obecne modele supersymetrii są poprawne, para ładowarek musi być co najmniej 447 razy większa od masy protonu, a para przysypów musi być co najmniej 746 razy większa od masy protonu.
Podobnie, w oparciu o obecne modele, supersymetryczny kwark denny musiałby być co najmniej 1545 razy większy od masy protonu.
ATLAS zakończył już polowanie na więcej lekkich ładunków, spali i kwarków dennych. A naukowcy powiedzieli, że są w 95% pewni, że nie istnieją.
Pod niektórymi względami polowanie na ciemną materię wydaje się ciągle powodować zerowe odkrycia, co może być rozczarowujące. Ale ci fizycy pozostają optymistami.
Wyniki te, powiedzieli w oświadczeniu, „nakładają silne ograniczenia na ważne scenariusze supersymetryczne, które będą kierować przyszłymi poszukiwaniami ATLAS”.
W rezultacie ATLAS ma teraz nową metodę polowania na ciemną materię i supersymetrię. Po prostu nie udało się znaleźć żadnej ciemnej materii ani supersymetrii.
