Революционный подход к Большому адронному коллайдеру

Исследователи изучают, действительно ли частицы темной материи образуются в струе частиц Стандартной модели.

Существование темной материи — давняя загадка нашей Вселенной. Темная материя составляет около четверти нашей Вселенной, но она незначительно взаимодействует с обычной материей. Существование темной материи было подтверждено серией астрофизических и космологических наблюдений, включая недавние потрясающие снимки, полученные космическим телескопом Джеймса Уэбба. Однако на сегодняшний день ни об одном экспериментальном наблюдении темной материи не сообщалось. Существование темной материи было вопросом, который ученые и астрофизики всего мира исследовали на протяжении десятилетий.

Достижения в исследованиях темной материи

«Именно поэтому мы проводим фундаментальные научные исследования, чтобы исследовать самые глубокие тайны Вселенной. ЦЕРН «Это крупнейший эксперимент, когда-либо созданный, и столкновения частиц, которые создают условия, подобные Большому взрыву, могут быть использованы для поиска признаков темной материи», — говорит профессор Дипак Кар из Школы физики Университета Витватерсранда в Йоханнесбурге. Южная Африка. .

Графическое представление того, как бы выглядели вблизи видимые струи в детекторе ATLAS, если бы они существовали. Кредит: ЦЕРН

Работая над экспериментом ATLAS в ЦЕРН, Карр и бывший аспирант Суканья Синха (ныне постдокторант в Манчестерском университете) разработали новый способ поиска темной материи. Их исследование было опубликовано в журнале Буквы B по физике.

Новый подход к обнаружению темной материи

«За последние несколько десятилетий на БАКе проводилось большое количество поисков темной материи, и они были сосредоточены на слабо взаимодействующих массивных частицах, называемых вимпами», — говорит Карр. «Вимпы — это один из классов частиц, которые, как предполагается, объясняют темную материю, поскольку они не поглощают и не излучают свет и не сильно взаимодействуют с другими частицами. Однако, поскольку никаких доказательств существования вимпов до сих пор не обнаружено, мы понял, что для поиска темной материи необходим квантовый скачок.

Доктор Суканья Синха и профессор Дипак Кар. Предоставлено: Университет Витса.

«Нас интересовало, действительно ли частицы темной материи производятся внутри потока частиц Стандартной модели», — сказал Карр. Это привело к открытию нового детектора, известного как «близвидимые струи», который ученые никогда раньше не изучали.

Столкновения протонов высоких энергий часто приводят к образованию параллельных распылений частиц, собранных в так называемые струи в результате распада обычных кварков или глюонов. Полувидимые потоки могут возникнуть, когда виртуальные темные кварки распадаются частично на кварки Стандартной модели (известные частицы) и частично на стабильные темные адроны («невидимая часть»). Поскольку они производятся парами, обычно вместе с дополнительными струями стандартной модели, в детекторе возникает энергетический дисбаланс или потери энергии, когда все форсунки не идеально сбалансированы. Направление потерянной энергии часто соответствует одной из наиболее видимых струй.

Это существенно затрудняет поиск ближних струй, поскольку данная сигнатура события может возникнуть и из-за неправильно измеренных струй на детекторе. Новый метод поиска темной материи Карра и Синхи открывает новые направления в поисках существования темной материи.

«Хотя моя докторская диссертация не содержит открытия темной материи, она устанавливает первые и довольно строгие верхние границы этого способа производства и уже вдохновляет на дальнейшие исследования», — говорит Синха.

Сотрудничество ATLAS в ЦЕРН выделило это как один из ключевых результатов, которые будут объявлены на летних конференциях.

Ссылка: «Исследование нерезонансного образования струй ближнего диапазона с использованием данных ATLAS Run 2», автор The ATLAS Collaboration, 11 ноября 2023 г., Буквы B по физике.
doi: 10.1016/j.physletb.2023.138324

Эксперименты на Большом адронном коллайдере в Европе, такие как показанный здесь калориметр ATLAS, обеспечивают более точные измерения фундаментальных частиц. Источник изображения: Максимилиан Прайс, ЦЕРН

Опыт Атласа

Эксперимент ATLAS — одно из важнейших научных начинаний ЦЕРН, Европейской организации ядерных исследований. Это ключевая часть Большого адронного коллайдера (БАК), крупнейшего и мощного в мире ускорителя частиц. Расположенный недалеко от Женевы, ATLAS, что означает «тороидальный аппарат LHC», занимается изучением фундаментальных аспектов физики.

ATLAS предназначен для исследования широкого круга научных вопросов. Он стремится понять фундаментальные силы, которые формировали наш мир с незапамятных времен и определят его судьбу. Одна из его основных целей — изучение бозона Хиггса, частицы, связанной с полем Хиггса, которое придает массу другим частицам. Открытие бозона Хиггса в 2012 году, совместная работа ATLAS и эксперимента CMS (компактный мюонный соленоид), стало знаковым достижением в физике.

Эксперимент также направлен на поиск признаков новой физики, включая происхождение массы, дополнительных измерений и частиц, которые могут составлять темную материю. ATLAS делает это, анализируя бесчисленные частицы, образующиеся при столкновении протонов на скорости, близкой к скорости света, внутри БАКа.

Детектор ATLAS сам по себе является технологическим чудом. Он огромен по размерам: около 45 метров в длину, 25 метров в диаметре и весит около 7000 тонн. Детектор состоит из разных слоев, каждый из которых предназначен для обнаружения разных типов частиц, образующихся в результате протон-протонных столкновений. Он включает в себя целый ряд технологий: трассеры для обнаружения траекторий частиц, калориметры для измерения их энергии и мюонные спектрометры для идентификации и измерения мюонов — типа тяжелых электронов, которые имеют фундаментальное значение для многих физических исследований.

Данные, собранные ATLAS, огромны и часто описываются петабайтами. Эти данные анализируются мировым сообществом ученых, что способствует нашему пониманию фундаментальной физики и потенциально ведет к новым открытиям и технологиям.