事实如此浪漫

如何使用大型特罗龙撞机搜索暗物质

如果你不能找到暗物质,先找一个黑暗的力量。

W.往往微不足道宇宙学家可以通过什么暗物质着迷,粒子物理学家通过什么暗物质着迷。对我们来说,暗物质应该是天然的粒子,虽然一个是仍然潜伏隐藏在我们的数据。在过去的几十年里,我们已经有一个诱人的猜测,这是什么粒子可能 - 即,最轻的一类新的超对称粒子的。超对称的一个扩展粒子和力是很好的地址挥之不去希格斯玻色子,部队的统一质量的稳定性问题的标准模型,以及暗物质粒子性质。事实上,超对称预言的新粒子 - 每个我们已经知道粒子的大量。然而,尽管这些新粒子的一个可能构成暗物质,我们很多人会只是一个快乐的副产品。

But after analyzing data from the first (2010–2012) and second (2015–2018) runs of the Large Hadron Collider (LHC), we haven’t found supersymmetric particles yet—indeed, no new particles at all, beyond the Higgs boson. So, while we continue to hunt for supersymmetry, we’re also taking a fresh look at what our cosmology colleagues can tell us about dark matter. It is the strongest experimental evidence for new physics beyond the Standard Model, after all.

我们所知道的:在标准模型中的每个粒子可能有尚未被视为一个合作伙伴。但是找到这些看不见的颗粒已经被证明是难度比预期的物理学家。 由丹尼尔·多明格斯插图/ CERN

事实上,有些人可能会说,LHC和未来的妇女的主要目标将是创造和研究暗物质。为此,必须有一个可见宇宙和黑暗宇宙彼此沟通的手段。换句话说,我们碰撞的颗粒的成分必须能够通过基本力与推定的暗物颗粒相互作用。力需要力载体或玻色子。电磁力由光子,通过所谓的载体骨骼等核力量,等等。暗物质与正常物质之间的相互作用应该没有什么不同:它们可以通过交换暗玻色子来实现。

即使我们的探测器对黑暗的玻色子感到不知情,我们也有一些希望识别它们,如果它们与可观察粒子的微小相互作用 - 换句话说,如果它们不是完全黑暗的。鉴于这些互动的多么虚弱,大的强子撞机已经生产这些粒子,我们还没有能够注意到它们。

一种当两个质子碰撞时,在LHC中创建的扭曲,暗杆可能腐烂到暗物质颗粒中,这将在不留下痕迹的情况下逃脱我们的探测器。但我们可以通过加入我们观察的所有颗粒和寻找动量不平衡的所有颗粒来推断出来,表明某些事情已经失踪了。或者,深色玻色子可以腐烂成普通粒子,例如夸克,并在我们的数据中留下明确的模式。我们可以做一些粒子取证,以推断出看看的玻色子的性质。这只是LHC探测器设计的作业,并且我们不断为这些信号进行碰撞者数据。

然而,在做黑暗的玻色子中搜索这种方式,我们已经做出了一个可能不保证的假设:黑暗的玻色子瞬间衰减。如果不是什么?暗宇宙,为了变暗,必须以某种方式从正常宇宙中隔离。这可能导致暗泡沫在崩解恢复正常物质之前,在短但可衡量的时刻存活。在两种质子碰撞的点,崩解的碎片不会出现在我们的实验中,而是通过一些重要距离流离失所。

设计LHC实验以寻找源自交互点的颗粒。追踪长寿命颗粒(黑暗或不)的轨迹对几个因素复杂化。它们将由更少的测量组成,使得连接点更难;他们将遵循非典型的几何路径,进一步妨碍了我们的模式识别算法;他们可以产生比通常算法的算法低得多的信号。

但这只是挑战物理学家拥抱的那种。通过恢复数十年的技巧和发明全新方法,我们已经修改了我们的算法对这些非典型粒子模式敏感。我们认为我们现在可以检测到偏远距离原产地最多几米的黑暗玻体,这涵盖了大多数合理的情景。在我们的探测器将注册的正常物质颗粒中,它几乎没有重要的是黑暗的玻色子衰减,最终陷入碎片。

到目前为止,我们已经发现来自LHC的第一,低能量运行数据罢了。但是,我们仍在努力从第二,高能量运行数据。由于增加了这些技术在它之前已经来到了超对称的搜索,我们现在有一个极好的机会去发现暗物质,一种黑暗的力量,或两者兼而有之。考虑到它迄今仅提供1将最终产生的数据总量的百分比,在LHC的搜索黑色颗粒真的才刚刚开始。

安东尼奥Boveia是俄亥俄州立大学的物理学教授。他搜寻暗物质等新粒子和力用在大型强子对撞机ATLAS的实验。

Christopher S. Hill是俄亥俄州州立大学的物理教授。2012 - 2013年,他是大型强子撞机的CMS实验的副职能协调员。他目前是美国CMS HL-LHC升级的项目科学家。

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本文最初于2017年2月出版鹦鹉螺宇宙。

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