Teraz, gdy naukowcy odkryli bozon Higgsa, Wielki Zderzacz Hadronów będzie szukał jeszcze bardziej nieuchwytnego celu: ciemnej materii. Otacza nas ciemna materia i ciemna energia - niewidzialne substancje, które wiążą galaktyki, ale się nie oddają. Nowa praca przedstawia nowatorską metodę poszukiwania ciemnej materii przez Wielki Zderzacz Hadronów, wykorzystującą stosunkowo małą prędkość potencjalnej cząstki.
Ciemny świat ciemnej materii
„Wiemy na pewno, że istnieje ciemny świat i jest w nim więcej energii niż nasz” - mówi Lien-Tao Wong, profesor fizyki na Uniwersytecie w Chicago, który prowadzi badania nad poszukiwaniem sygnałów w dużych akceleratorach cząstek, takich jak LHC. Praca została opublikowana w Physical Review Letters.
Chociaż mroczny świat stanowi ponad 95% wszechświata, naukowcy wiedzą o jego istnieniu tylko dzięki efektom, jakie wywołuje - niczym poltergeist, który jest widoczny tylko wtedy, gdy coś porusza się na półce lub gdy miga światło. Na przykład wiemy o istnieniu ciemnej materii, ponieważ widzimy jej efekt grawitacyjny - pomaga ona naszym galaktykom nie rozlecieć się.
Teoretycy uważają, że istnieje jeden specjalny rodzaj ciemnych cząstek, które mogą okresowo oddziaływać ze zwykłą materią. Będzie cięższy i wytrzyma dłużej niż inne znane cząsteczki - do jednej dziesiątej sekundy. Zdaniem naukowców, kilka razy w ciągu dekady taka cząstka może zostać złapana w zderzeniach protonów w LHC, które zachodzą i są stale mierzone.
„Jedną szczególnie interesującą możliwością jest to, że te długowieczne ciemne cząstki są w jakiś sposób powiązane z bozonem Higgsa - że Higgs jest w rzeczywistości portalem do ciemnego świata” - mówi Wong, odnosząc się do ostatnich fizyków cząstek odkrytych w wielkiej teorii działania wszechświata. … Bozon Higgsa został odkryty w LHC w 2012 roku. "Być może Higgs może faktycznie rozpadać się na te długowieczne cząstki."
Jedynym problemem jest oddzielenie tych wydarzeń od reszty; w 27-kilometrowym LHC dochodzi do ponad miliarda zderzeń na sekundę, z których każda powoduje rozpylanie cząsteczek we wszystkich kierunkach.
Film promocyjny:
Naukowcy zaproponowali nową metodę wyszukiwania wykorzystującą jeden szczególny aspekt takiej ciemnej cząstki. „Jeśli jest tak ciężki, wymaga energii do wytworzenia, więc pęd nie będzie duży - będzie poruszał się wolniej niż prędkość światła” - mówi Jia Liu, pierwsza autorka badania.
To opóźnienie czasowe sprawi, że będzie się wyróżniał na tle pozostałych cząstek. Naukowcy muszą tylko dostroić system, aby znaleźć wytwarzane przez niego cząstki. Różnica leży w zakresie nanosekundy - jednej miliardowej części sekundy - lub mniej. Ale LHC ma już wystarczająco inteligentne detektory, aby wychwycić tę różnicę; niedawne badanie wykorzystujące dane zebrane podczas ostatniego uruchomienia zderzacza wykazało, że ta metoda powinna działać, a detektory staną się jeszcze bardziej czułe wraz z nadchodzącą aktualizacją.
„Oczekujemy, że ta metoda zwiększy naszą wrażliwość na długowieczne ciemne cząstki o kilka rzędów wielkości - jednocześnie wykorzystując możliwości, które już posiada LHC” - mówi Liu. Eksperymenty już pracują nad stworzeniem pułapki. Kiedy LHC włączy się ponownie w 2021 roku, po 10-krotnym wzroście jasności, wszystkie trzy główne detektory zostaną wyposażone w nowy system.
„Uważamy, że istnieje duży potencjał do odkryć. Jeśli jest tam cząstka, będziemy mogli ją wyodrębnić."
Ilya Khel