A Nagy Hadronütköztető forradalmi megközelítése

A kutatók azt vizsgálják, hogy a sötét anyag részecskéi valóban a Standard Modell részecskék sugárában keletkeznek-e.

A sötét anyag létezése univerzumunkban régóta fennálló rejtély. A sötét anyag az univerzumunk körülbelül egynegyedét teszi ki, de nem lép jelentős kölcsönhatásba a normál anyaggal. A sötét anyag létezését számos asztrofizikai és kozmológiai megfigyelés igazolta, köztük a James Webb Űrteleszkóp legújabb lenyűgöző felvételei. Mindeddig azonban nem számoltak be a sötét anyag kísérleti megfigyeléséről. A sötét anyag létezését évtizedek óta vizsgálják a nagy energiájú tudósok és asztrofizikusok világszerte.

Előrelépések a sötét anyag kutatásában

„Ezért folytatunk kutatásokat az alaptudományok terén, hogy feltárjuk a világegyetem legmélyebb titkait. A Nagy Hadronütköztető CERN „Ez a valaha készített legnagyobb kísérlet, és az ősrobbanásszerű körülményeket létrehozó részecskeütközések kihasználhatók a sötét anyag jeleinek felkutatására” – mondja Deepak Kar professzor, a johannesburgi Witwatersrand Egyetem Fizikai Karának munkatársa. Dél-Afrika. .

Grafikus ábrázolása annak, hogyan jelennének meg a közel látható fúvókák az ATLAS detektorban, ha léteznének. Hitel: CERN

Carr és egykori PhD-hallgató, Sukanya Sinha (jelenleg a Manchesteri Egyetem posztdoktori kutatója) a CERN-ben végzett ATLAS-kísérleten dolgozva új módszert dolgozott ki a sötét anyag kutatására. Kutatásuk a folyóiratban jelent meg, Fizika B betűk.

A sötét anyag kimutatásának új megközelítése

„Az elmúlt néhány évtizedben nagyszámú kutatás folyt a sötét anyag után az LHC-ben, és a gyengén kölcsönhatásba lépő hatalmas részecskékre, az úgynevezett WIMP-kre összpontosítottak” – mondja Carr. „A WIMPS a részecskék azon osztályai közé tartozik, amelyekről feltételezik, hogy magyarázatot adnak a sötét anyagra, mivel nem nyelnek el vagy bocsátanak ki fényt, és nem lépnek erős kölcsönhatásba más részecskékkel. Mivel azonban eddig nem találtak bizonyítékot a WIMP-ek létezésére, ezért mi rájött, hogy a sötét anyag kutatásához kvantumugrásra van szükség.

Dr. Sukanya Sinha és Deepak Kar professzor. Kredit: Wits University

„Arra voltunk kíváncsiak, hogy a sötét anyag részecskéi valóban keletkeznek-e a Standard Modell részecskék áramában” – mondta Carr. Ez egy új, közel látható fúvókákként ismert detektorjel felfedezéséhez vezetett, amelyet a tudósok korábban soha nem vizsgáltak.

A nagyenergiájú protonütközések gyakran párhuzamosan sugárzó részecskéket hoznak létre, amelyeket úgynevezett sugárban gyűjtenek össze a közönséges kvarkok vagy gluonok bomlásából. Félig látható áramlások keletkezhetnek, amikor a virtuális sötét kvarkok részben Standard Modell-kvarkokká (ismert részecskék), részben pedig stabil sötét hadronokká (a „láthatatlan rész”) bomlanak. Mivel párban gyártják őket, általában további szabványos modellfúvókákkal együtt, energiaegyensúlyhiány vagy energiaveszteség lép fel a detektorban, ha az összes sugár nincs tökéletesen kiegyensúlyozott. Az elveszett energia iránya gyakran megfelel valamelyik közel látható sugárnak.

Ez nagyon megnehezíti a közel látható fúvókák keresését, mivel ez az eseményjelzés a detektoron rosszul mért fúvókák miatt is felmerülhet. Carr és Sinha új módszere a sötét anyag kutatására új irányokat nyit a sötét anyag létezésének kutatásában.

„Bár a doktori értekezésem nem tartalmazza a sötét anyag felfedezését, az első és meglehetősen szigorú felső határt szabja meg ennek a termelési módnak, és máris további tanulmányokat inspirál” – mondja Sinha.

A CERN ATLAS együttműködése ezt a nyári konferenciák egyik legfontosabb eredményének emelte ki.

Hivatkozás: „Közel látható fúvókák nem rezonáns előállításának vizsgálata az ATLAS 2. futtatási adataival”, a The ATLAS Collaboration, 2023. november 11., Fizika B betűk.
doi: 10.1016/j.physletb.2023.138324

Az európai Nagy Hadronütköztetőben végzett kísérletek, mint például az itt bemutatott ATLAS kaloriméter, pontosabb mérést tesznek lehetővé az alapvető részecskékről. A kép forrása: Maximilian Price, CERN

Atlas tapasztalat

Az ATLAS kísérlet a CERN, az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet egyik legfontosabb tudományos törekvése. Kulcsfontosságú része a Large Hadron Collidernek (LHC), a világ legnagyobb és legerősebb részecskegyorsítójának. A Genf közelében található ATLAS, amely az „A Toroidal LHC ApparatuS” rövidítése, a fizika alapvető aspektusainak feltárására összpontosít.

Az ATLAS tudományos kérdések széles körének feltárására készült. Arra törekszik, hogy megértse azokat az alapvető erőket, amelyek az idők kezdete óta formálták világunkat, és amelyek meghatározzák annak sorsát. Egyik elsődleges célja a Higgs-bozon, a Higgs-mezőhöz kapcsolódó részecske tanulmányozása, amely más részecskék tömegét adja. A Higgs-bozon felfedezése 2012-ben, az ATLAS és a CMS (Compact Muon Solenoid) kísérlet közös erőfeszítése, mérföldkőnek számít a fizikában.

A kísérlet új fizika jeleit is keresi, beleértve a tömeg eredetét, az extra dimenziókat és a sötét anyagot alkotó részecskéket. Az ATLAS ezt úgy teszi, hogy elemzi az LHC belsejében a protonok közel fénysebességű ütközésekor keletkező számtalan részecskét.

Maga az ATLAS detektor egy technológiai csoda. Hatalmas méretű, körülbelül 45 méter hosszú, 25 méter átmérőjű, súlya pedig körülbelül 7000 tonna. A detektor különböző rétegekből áll, amelyek mindegyike proton-proton ütközésből származó különböző típusú részecskék észlelésére szolgál. Egy sor technológiát tartalmaz: nyomjelzőket a részecskepályák kimutatására, kalorimétereket az energiájuk mérésére, valamint müonspektrométereket a müonok azonosítására és mérésére, a nehéz elektronok egy olyan típusára, amely számos fizikai kutatásban alapvető fontosságú.

Az ATLAS által gyűjtött adatok hatalmasak, gyakran petabájtokban írják le őket. Ezeket az adatokat tudósok globális közössége elemzi, hozzájárulva az alapvető fizika megértéséhez, és potenciálisan új felfedezésekhez és technológiákhoz vezethet.