Kosmiske kollisioner ved LHCb-eksperimentet

I sidste uge ved den 52. Rencontres de Moriond EW i La Thuile, Italien, LHCb-eksperimentet præsenterede resultaterne af en hidtil uset og usædvanlig undersøgelse. I stedet for de sædvanlige proton-proton-kollisioner, denne gang registrerede LHCb-detektoren kollisioner mellem protoner og heliumkerner, som blev injiceret nær interaktionspunktet for eksperimentet. Denne type kollision kan normalt kun ses langt over jordens atmosfære, hvor kosmiske strålepartikler – højenergiske partikler uden for solsystemet – rammer interstellart "støv", der primært består af brint og helium, og detekteres af satellitbaserede eksperimenter. Forskere ønsker at forstå denne proces bedre og, i særdeleshed, forsøger at forstå, hvor mange antiprotoner, der skabes, når de højenergetiske kosmiske stråleprotoner rammer heliumkernerne i det interstellare medium.

Den ultimative årsag til dette er søgningen efter mørkt stof-signaler. Mørkt stof er en usynlig type stof – dvs. den udsender ikke nogen form for elektromagnetisk stråling – som udgør en fjerdedel af stof-energiindholdet i vores univers, men dens oprindelse er endnu ukendt. Hvis mørkt stof er lavet af en form for (endnu uopdagede) stabile partikler, hvis eksistens er forudset i mange udvidelser af standardmodellen for partikelfysik, disse mørkt stof partikler kan kollidere og producere almindelige partikler og antipartikler, især inklusive antiprotoner.

Imidlertid, antiprotoner kan også skabes via kollisionen af ​​kosmiske stråleprotoner med brint- og heliumkerner i det interstellare medium. Derfor, et potentielt tegn på tilstedeværelsen af ​​mørkt stof kunne være observation af et antal antiprotoner, der overstiger det, der forventes fra "standard" processer. Og sandelig, PAMELA og AMS-02 rumbaserede eksperimenter fandt præcis et så spændende overskud af antiprotoner sammenlignet med protoner i kosmiske strålemålinger, med et imponerende niveau af præcision.

Eureka? Desværre ikke endnu, da vores teoretiske forståelse af antiprotonproduktion fra kosmiske strålekollisioner stadig er påvirket af store usikkerheder, især med hensyn til sandsynligheden for antiprotonproduktion ved proton-helium-kollisioner (det såkaldte "tværsnit"). En præcis bestemmelse af det forventede antal antiprotoner fra kosmiske stråler har hidtil været umuligt, dermed forhindre en ligetil fortolkning af satellitforsøgenes resultater.

Det er her, LHCb-eksperimentet kom ind i billedet. Ideen om at injicere ædelgasser – såsom neon, helium og argon – ind i strålerøret nær interaktionsområdet blev foreslået af forskellige årsager relateret til protonstrålelysstyrkemålinger. Men dets potentiale blev hurtigt erkendt af LHCb-fysikerne og deres kolleger, der arbejder med astropartikelfysik:gasinjektionsteknikken kunne også bruges til at simulere det kosmiske miljø og måle, for første gang, produktionstværsnittet af antiprotoner i proton-helium-kollisioner.

Proton-helium-kollisionsdataene, der blev brugt i denne analyse, blev registreret i begyndelsen af ​​maj 2016. Takket være dets specialiserede evner til at identificere forskellige partikler, især antiprotoner, LHCb-eksperimentet var også i stand til at måle antiprotonproduktionstværsnittet i en lang række relevante energier, opnår en samlet præcision på omkring 10 %. Denne måling skrumper betydeligt usikkerheden på værdierne af antistofproduktionstværsnittet i proton-helium-kollisioner, som hidtil har været brugt i teoretiske kosmiske strålemodeller (se billedet nedenfor).

LHCb-resultatet vil have en betydelig indvirkning på forudsigelserne for antallet af antiprotoner, der forventes fra kosmiske strålekollisioner med det interstellare medium, og det astrofysiske samfund har nu travlt med at indarbejde det i deres beregninger. Dette arbejde vil gøre det muligt at fortolke PAMELA- og AMS-02-data om antiprotonfluxen fra rummet for at blive mere begrænset, kaste lys over dets mulige mørke-stof oprindelse.

Mere information om dette resultat kan findes på LHCb's hjemmeside.