At bryde nyt i søgen efter mørkt stof

Large Hadron Collider (LHC) er kendt for jagten på og opdagelsen af ​​Higgs-bosonen, men i de 10 år siden maskinen kolliderede protoner med en energi højere end tidligere opnået ved en partikelaccelerator, forskere har brugt det til at forsøge at jage en lige så spændende partikel:den hypotetiske partikel, der kan udgøre en usynlig form for stof kaldet mørkt stof, som er fem gange mere udbredt end almindeligt stof, og uden hvilket der ikke ville være noget univers, som vi kender det. LHC-søgningerne efter mørkt stof er indtil videre kommet op tomhændede, som ikke-kolliderende søgninger, men det utrolige arbejde og dygtighed, som LHC-forskerne har lagt i at finde det, har fået dem til at indsnævre mange af de områder, hvor partiklen kan ligge skjult - nødvendige milepæle på vejen til en opdagelse.

"Før LHC, mulighedernes rum for mørkt stof var meget bredere, end det er i dag, " siger mørk-stof-teoretiker Tim Tait fra UC Irvine og teori-medindkalder af LHC Dark Matter Working Group.

"LHC har virkelig brudt ny vej i søgen efter mørkt stof i form af svagt interagerende massive partikler, ved at dække en bred vifte af potentielle signaler forudsagt af enten produktion af mørkt stof, eller produktion af partiklerne, der medierer dets interaktioner med almindeligt stof. Alle de observerede resultater har været i overensstemmelse med modeller, der ikke inkluderer mørkt stof, og give os vigtig information om, hvilke slags partikler der ikke længere kan forklare det. Resultaterne har begge peget eksperimentelister i nye retninger for, hvordan man søger efter mørkt stof, og fik teoretikere til at genoverveje eksisterende ideer for, hvad mørkt stof kunne være - og i nogle tilfælde til at komme med nye."

Lav det, knæk den og ryst den

At lede efter mørkt stof, eksperimenter i det væsentlige "gør det, brække det eller ryste det." LHC har forsøgt at lave det ved at kollidere med protonstråler. Nogle eksperimenter bruger teleskoper i rummet og på jorden til at lede efter indirekte signaler fra mørkt stof partikler, når de kolliderer og bryder sig selv ud i rum. Andre jagter stadig disse undvigende partikler direkte ved at søge efter sparkene, eller "ryster, "de giver til atomkerner i underjordiske detektorer.

Make-it-tilgangen er komplementær til break-it og shake-it-eksperimenterne, og hvis LHC detekterer en potentiel mørkt stof partikel, det vil kræve bekræftelse fra de andre eksperimenter for at bevise, at det faktisk er en mørk-stof partikel. Derimod, hvis de direkte og indirekte eksperimenter detekterer et signal fra en mørk-stof-partikel-interaktion, eksperimenter på LHC kunne designes til at studere detaljerne i en sådan interaktion.

Manglende momentum signal og bump jagt

Så hvordan har LHC ledt efter tegn på produktion af mørkt stof i protonkollisioner? Hovedsignaturen på tilstedeværelsen af ​​en mørk-stofpartikel i sådanne kollisioner er det såkaldte manglende tværgående momentum. For at lede efter denne signatur, forskere sammenlægger momenta af partiklerne, som LHC-detektorerne kan se – mere præcist momenta vinkelret på de kolliderende stråler af protoner – og identificerer eventuelt manglende momentum, der er nødvendigt for at nå det totale momentum før kollisionen. Det samlede momentum bør være nul, fordi protonerne bevæger sig langs strålernes retning, før de støder sammen. Men hvis det samlede momentum efter kollisionen ikke er nul, det manglende momentum, der er nødvendigt for at gøre det nul, kunne være blevet båret væk af en uopdaget mørkt stof-partikel.

Manglende momentum er grundlaget for to hovedtyper af søgning på LHC. Den ene type er styret af såkaldte komplette nye fysikmodeller, såsom supersymmetri (SUSY) modeller. I SUSY-modeller, de kendte partikler beskrevet af standardmodellen for partikelfysik har en supersymmetrisk partnerpartikel med en kvanteegenskab kaldet spin, der adskiller sig fra dens modpart med halvdelen af ​​en enhed. Ud over, i mange SUSY-modeller, den letteste supersymmetriske partikel er en svagt interagerende massiv partikel (WIMP). WIMP'er er en af ​​de mest fængslende kandidater til en mørk-stof-partikel, fordi de kunne generere den nuværende overflod af mørkt stof i kosmos. Søgninger målrettet SUSY WIMPs leder efter manglende momentum fra et par mørkt stof partikler plus en spray, eller "jet, " af partikler og/eller partikler kaldet leptoner.

En anden type søgning, der involverer signaturen med manglende momentum, styres af forenklede modeller, der inkluderer en WIMP-lignende mørkt stof-partikel og en mediatorpartikel, der ville interagere med de kendte almindelige partikler. Mediatoren kan enten være en kendt partikel, såsom Z-bosonen eller Higgs-bosonen, eller en ukendt partikel. Disse modeller har vundet betydelig indpas i de senere år, fordi de er meget enkle, men alligevel generelle af natur (komplette modeller er specifikke og dermed snævrere i omfang), og de kan bruges som benchmarks for sammenligninger mellem resultater fra LHC og fra ikke-kolliderende mørke- stof eksperimenter. Ud over at mangle momentum fra et par mørkt stof partikler, denne anden type søgning leder efter mindst ét ​​meget energisk objekt, såsom en stråle af partikler eller en foton.

I forbindelse med forenklede modeller, der er et alternativ til søgninger med manglende momentum, som ikke skal lede efter mørkstofpartikelen, men efter mediatorpartiklen gennem dens transformation, eller "forfald, " ind i almindelige partikler. Denne tilgang leder efter et bump over en jævn baggrund af hændelser i kollisionsdataene, såsom et bump i massefordelingen af ​​begivenheder med to jetfly eller to leptoner.

Indsnævring af WIMP-territoriet

Hvilke resultater har LHC-eksperimenterne opnået fra disse WIMP-søgninger? Det korte svar er, at de endnu ikke har fundet tegn på WIMP mørkt stof. Det længere svar er, at de har udelukket store bidder af det teoretiske WIMP-territorium og sat stærke grænser for de tilladte værdier af egenskaberne for både mørkstof-partiklen og mediatorpartiklen, såsom deres masser og interaktionsstyrker med andre partikler. Opsummerer resultaterne fra LHC-eksperimenterne, Medlem af ATLAS-eksperimentsamarbejdet, Caterina Doglioni, siger:"Vi har gennemført et stort antal dedikerede søgninger efter usynlige partikler og synlige partikler, der ville forekomme i processer, der involverer mørkt stof, og vi har fortolket resultaterne af disse søgninger i forhold til mange forskellige WIMP mørkt stof scenarier, fra forenklede modeller til SUSY-modeller. Dette arbejde nød godt af samarbejdet mellem eksperimentelister og teoretikere, for eksempel på diskussionsplatforme såsom LHC Dark Matter Working Group (LHC DM WG), som omfatter teoretikere og repræsentanter fra ATLAS, CMS og LHCb samarbejder. At placere LHC-resultaterne i sammenhæng med den globale WIMP-søgning, der inkluderer direkte- og indirekte-detektionseksperimenter, har også været et fokus for diskussion i mørkt stof-samfundet, og diskussionen fortsætter til dato om, hvordan man bedst udnytter synergier mellem forskellige eksperimenter, der har det samme videnskabelige mål om at finde mørkt stof."

Giver et specifikt eksempel på et resultat opnået med data fra ATLAS-eksperimentet, Priscilla Pani, ATLAS eksperiment medindkalder af LHC Dark Matter WG, fremhæver, hvordan samarbejdet for nylig har søgt i det fulde LHC-datasæt fra maskinens anden kørsel (Kørsel 2), indsamlet mellem 2015 og 2018, at se efter tilfælde, hvor Higgs-bosonen kan henfalde til mørkt stof-partikler. "Vi fandt ingen tilfælde af dette forfald, men vi var i stand til at sætte de stærkeste grænser til dato for sandsynligheden for, at det opstår, " siger Pani.

Phil Harris, CMS eksperiment medindkalder til LHC Dark Matter Working Group, fremhæver søgninger efter en formidler af mørkt stof, der henfalder til to stråler, såsom en nylig CMS-søgning baseret på Run 2-data.

"Disse såkaldte dijet-søgninger er meget effektive, fordi de kan undersøge en lang række mediatormasser og interaktionsstyrker, " siger Harris.

Xabier Cid Vidal, LHCb eksperiment medindkalder til LHC Dark Matter WG, bemærker til gengæld, hvordan data fra kørsel 1 og kørsel 2 om henfaldet af en partikel kendt som Bs-mesonen har gjort det muligt for LHCb-samarbejdet at sætte stærke grænser for SUSY-modeller, der inkluderer WIMP'er. "Bs-mesonens henfald til to myoner er meget følsomt over for SUSY-partikler, såsom SUSY WIMPs, fordi frekvensen, hvormed henfaldet forekommer, kan være meget forskellig fra den, der forudsiges af standardmodellen, hvis SUSY-partikler, selvom deres masser er for høje til at blive detekteret direkte ved LHC, forstyrre forfaldet, " siger Cid Vidal.

Udstøbning af et bredere net

"Ti år siden, eksperimenter (ved LHC og videre) søgte efter mørkt stof partikler med masser over protonmassen (1 GeV) og under nogle få TeV. Det er, de var rettet mod klassiske WIMP'er som dem, der var forudsagt af SUSY. Spol 10 år frem, og eksperimenter med mørkt stof søger nu efter WIMP-lignende partikler med masser så lave som omkring 1 MeV og så høje som 100 TeV, " siger Tait. "Og nulresultaterne fra søgninger, som på LHC, har inspireret mange andre mulige forklaringer på det mørke stofs natur, fra fuzzy mørkt stof lavet af partikler med masser så lave som 10−22 eV til primordiale sorte huller med masser svarende til flere sole. I lyset af dette, samfundet af mørkt stof er begyndt at kaste et bredere net for at udforske et større landskab af muligheder."

På kolliderfronten, LHC-forskerne er begyndt at undersøge nogle af disse nye muligheder. For eksempel, de er begyndt at se på hypotesen om, at mørkt stof er en del af en større mørk sektor med flere nye typer mørke partikler. Disse mørke partikler kunne inkludere en mørk stof ækvivalent til fotonen, den mørke foton, som ville interagere med de andre mørke partikler såvel som de kendte partikler, og langlivede partikler, som også forudsiges af SUSY-modeller.

"Scenarier i den mørke sektor giver et nyt sæt eksperimentelle signaturer, og dette er en ny legeplads for LHC-fysikere, " siger Doglioni.

"Vi udvider nu på de eksperimentelle metoder, som vi er bekendt med, så vi kan forsøge at fange sjældne og usædvanlige signaler begravet i store baggrunde. I øvrigt, mange andre nuværende og planlagte eksperimenter er også rettet mod mørke sektorer og partikler, der interagerer mere svagt end WIMP'er. Nogle af disse eksperimenter, såsom det nyligt godkendte FASER-eksperiment, deler viden, teknologi og endda acceleratorkompleks med de vigtigste LHC-eksperimenter, og de vil supplere rækkevidden af ​​LHC-søgninger efter ikke-WIMP mørkt stof, som vist af CERN Physics Beyond Colliders-initiativet."

Endelig, LHC-forskerne arbejder stadig på data fra Run 2, og de data, der er indsamlet indtil videre, fra løb 1 og løb 2, er kun omkring 5 % af det samlede antal forsøgene vil registrere. I betragtning af dette, samt den enorme viden opnået fra de mange LHC-analyser, der hidtil er udført, der er måske en kæmpe chance for, at LHC vil opdage en mørkt stof partikel i de næste 10 år. "Det er det faktum, at vi ikke har fundet det endnu, og muligheden for, at vi kan finde det i en ikke så fjern fremtid, der holder mig begejstret for mit job, " siger Harris. "De sidste 10 år har vist os, at mørkt stof kan være anderledes end det, vi oprindeligt havde troet, men det betyder ikke, at det ikke er der for os at finde, " siger Cid Vidal.

"Vi lader ingen sten stå uvendt, uanset hvor stor eller lille og hvor lang tid det vil tage os, " siger Pani.