Naukowcy mogą mieć nowy sposób zaglądania w „mroczny świat” fizyki.
W nowym artykule fizycy teoretyczni twierdzą, że mają nowy plan poszukiwania teoretycznych cząstek, których do tej pory nigdy nie zaobserwowano. Cząstki te, zwane cząsteczkami długowiecznymi lub LLP, mogą być oknem na ciemną materię i ciemną energię, które razem stanowią 95% wszechświata. Ciemna materia działa grawitacyjnie na zwykłą materię, a uważa się, że ciemna energia powoduje przyspieszenie ekspansji wszechświata. Ale nie można tego bezpośrednio zaobserwować, ponieważ wszelkie interakcje, jakie mają z świetlną materią wszechświata są słabe, powiedział Zhen Liu, doktorant z University of Maryland.
„Nie rozmawiają z nami”, powiedział Liu, jeden z badaczy, który pracuje nad nowym planem, powiedział Live Science.
Ale LLP mogą stanowić sposób na komunikację tego ciemnego świata z jaśniejszym. A Liu i jego koledzy uważają, że poprzez ulepszenie niektórych detektorów w największej na świecie niszczycielu atomów, Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w pobliżu Genewy w Szwajcarii, fizycy mogą je znaleźć.
Światy równoległe
„Ciemny świat”, znany również jako „ukryty sektor”, opisuje zestaw hipotetycznych cząstek, które wykraczałyby poza standardowy model fizyki. (Model standardowy wyjaśnia protony, neutrony, elektrony i wszystkie dziwne cząstki subatomowe, które z nimi idą, takie jak kwarki, miony, neutrina i bozon Higgsa.)
Liu powiedział, że jeśli cała „normalna” materia znajduje się w jednej dolinie, ciemny świat znajduje się w równoległej dolinie. Wspinaczka po tym grzbiecie wymaga ogromnej ilości energii, więc cząsteczki w dolinie mrocznego świata oddziałują silnie ze sobą, ale tylko nieznacznie z cząstkami po drugiej stronie góry. Ale niektóre cząstki mogą przejść przez barierę energetyczną z ciemnego świata do tego, który normalnie napotykamy w procesie zwanym tunelowaniem kwantowym. Te cząstki prawdopodobnie nie byłyby odpowiednikami ciemnej materii stabilnych cząstek, takich jak protony lub neutrony, powiedział Liu, ale być może byłyby bardziej zbliżone do bardziej niestabilnych cząstek Modelu Standardowego.
Naukowcy są zainteresowani znalezieniem tych tunelujących cząstek. Ale te cząsteczki, jeśli istnieją, są rzadkie, powiedziała Liantao Wang, fizyk teoretyczny z University of Chicago. LHC wyrzuca protony w zawrotnym tempie, wytwarzając 1 miliard zderzeń na sekundę. Zderzenia te rozbijają protony na ogromną liczbę znanych cząstek modelu standardowego. Dla naukowców szukających ukrytego sektora wszystkie te cząsteczki są zwykłym hałasem. Cząstki, którymi są zainteresowani, powiedział Wang, mogą pojawić się tylko kilka razy na dekadę.
Nowa ścieżka
Wang wraz z Liu i ich koleżanką, Jia Liu, są autorami nowego artykułu, opublikowanego 3 kwietnia w czasopiśmie Physical Review Letters, sugerując sposób, by uchwycić spojrzenie tych rzadkich cząstek.
Wszystko sprowadza się do wyczucia czasu. LLP, jak powiedział Wang, powinny być masywne i ociężałe w porównaniu do cząstek Modelu Standardowego, które LHC wytwarza masowo. Ich powolność wynika z dużej przeszkody energetycznej, którą muszą pokonać, aby zrobić wrażenie na świecie normalnej materii, powiedział Liu. Ale tempo ślimaka jest również przydatną funkcją dla fizyków. Większość cząstek elementarnych w LHC porusza się z prędkością światła i szybko rozpada się. Na przykład bozon Higgsa zniknął w ciągu zaledwie 10 do minus 22 sekund, przekształcając się w zestaw bardziej stabilnych cząstek.
Jednak LLP powinny żyć wolno - do jednej dziesiątej sekundy, powiedział Wang. Podróżują również wolniej niż prędkość światła. Dlatego dostosowanie detektorów LHC w celu wyszukiwania cząstek, które docierają późno do ich czujników, powinno być kluczem do ich wykrycia.
„To bardzo prosty pomysł - powiedział Wang - ale okazuje się zaskakująco skuteczny”.
Niektóre z tych zmian będą naturalnie pojawiać się wraz z aktualizacjami LHC, które są obecnie w toku, powiedział Liu. Dodał, że zderzacz cząstek otworzy się ponownie w 2021 r., Dzięki detektorom, które będą w stanie zmierzyć czas przybycia cząsteczki 10 razy dokładniej niż obecnie. Powiedział, że stamtąd wystarczy kilka poprawek oprogramowania, aby skorzystać z możliwości LHC i upewnić się, że fizycy eksperymentalni, którzy używają zderzacza, nadają priorytet wyszukiwaniu. Teraz, Wang i Liu, oni i ich eksperymentalni koledzy odbywają serię spotkań, aby upewnić się, że wszyscy są na tej samej stronie.
„To się stanie” - powiedział Liu.
