Een revolutionaire benadering van de Large Hadron Collider

Onderzoekers bestuderen of donkere materiedeeltjes daadwerkelijk worden geproduceerd binnen een straal van standaardmodeldeeltjes.

Het bestaan ​​van donkere materie is een al lang bestaand mysterie in ons universum. Donkere materie maakt ongeveer een kwart van ons heelal uit, maar heeft geen noemenswaardige interactie met gewone materie. Het bestaan ​​van donkere materie is bevestigd door een reeks astrofysische en kosmologische waarnemingen, waaronder recente verbluffende beelden gemaakt door de James Webb Space Telescope. Tot op heden is er echter geen experimentele waarneming van donkere materie gerapporteerd. Het bestaan ​​van donkere materie is een vraag die hoogenergetische wetenschappers en astrofysici over de hele wereld al tientallen jaren onderzoeken.

Vooruitgang in onderzoek naar donkere materie

“Dit is de reden waarom we onderzoek doen in fundamentele wetenschap, om de diepste geheimen van het universum te onderzoeken. De Large Hadron Collider in CERN “Het is het grootste experiment ooit gemaakt, en deeltjesbotsingen die oerknalachtige omstandigheden creëren kunnen worden uitgebuit om te zoeken naar tekenen van donkere materie”, zegt professor Deepak Kar van de School of Physics van de Universiteit van de Witwatersrand in Johannesburg. Zuid-Afrika. .

Een grafische weergave van hoe bijna zichtbare jets in de ATLAS-detector zouden verschijnen als ze zouden bestaan. Krediet: CERN

Tijdens hun werk aan het ATLAS-experiment op CERN bedachten Carr en voormalig promovendus Sukanya Sinha (nu postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Manchester) een nieuwe manier om naar donkere materie te zoeken. Hun onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuurkundebrieven B.

Een nieuwe benadering voor het detecteren van donkere materie

“Er is de afgelopen decennia bij de LHC een groot aantal zoektochten naar donkere materie geweest, en die hebben zich vooral gericht op zwak op elkaar inwerkende massieve deeltjes, de zogenaamde WIMP’s”, zegt Carr. “WIMPS zijn een van de klassen van deeltjes waarvan wordt aangenomen dat ze donkere materie verklaren, omdat ze geen licht absorberen of uitstralen en geen sterke interactie hebben met andere deeltjes. Omdat er tot nu toe echter geen bewijs is gevonden voor het bestaan ​​van WIMP’s, hebben we besefte dat de zoektocht naar donkere materie een kwantumsprong nodig had.

Dr. Sukanya Sinha en professor Deepak Kar. Krediet: Wits Universiteit

“Wat we ons afvroegen was of donkere materiedeeltjes daadwerkelijk worden geproduceerd binnen een stroom van standaardmodeldeeltjes,” zei Carr. Dit leidde tot de ontdekking van een nieuwe detectorsignatuur, bekend als bijna zichtbare jets, waar wetenschappers nog nooit eerder naar hadden gekeken.

Protonenbotsingen met hoge energie produceren vaak parallelle deeltjesdeeltjes, verzameld in zogenaamde jets, afkomstig van het verval van gewone quarks of gluonen. Halfzichtbare stromen kunnen ontstaan ​​wanneer virtuele donkere quarks deels vervallen in standaardmodel-quarks (bekende deeltjes) en deels in stabiele donkere hadronen (het “onzichtbare deel”). Omdat ze in paren worden geproduceerd, meestal samen met extra jets van standaardmodellen, ontstaat er een energie-onbalans of energieverlies in de detector wanneer niet alle jets perfect in balans zijn. De richting van de verloren energie komt vaak overeen met een van de meest zichtbare jets.

Dit maakt het zoeken naar bijna zichtbare jets erg moeilijk, omdat deze gebeurtenissignatuur ook kan ontstaan ​​als gevolg van onjuist gemeten jets bij de detector. De nieuwe methode van Carr en Sinha om naar donkere materie te zoeken opent nieuwe richtingen in de zoektocht naar het bestaan ​​van donkere materie.

“Hoewel mijn proefschrift geen ontdekking van donkere materie bevat, stelt het de eerste en vrij strenge bovengrenzen voor deze productiewijze, en vormt het nu al een inspiratiebron voor verder onderzoek”, zegt Sinha.

De ATLAS-samenwerking bij CERN heeft dit benadrukt als een van de belangrijkste resultaten die op de zomerconferenties zullen worden aangekondigd.

Referentie: “Onderzoek naar niet-resonante productie van bijna zichtbare jets met behulp van ATLAS Run 2-gegevens” door The ATLAS Collaboration, 11 november 2023, Natuurkundebrieven B.
doi: 10.1016/j.physletb.2023.138324

Experimenten met de Large Hadron Collider in Europa, zoals de hier getoonde ATLAS-calorimeter, zorgen voor nauwkeurigere metingen van fundamentele deeltjes. Bron afbeelding: Maximilian Price, CERN

Atlas-ervaring

Het ATLAS-experiment is een van de belangrijkste wetenschappelijke inspanningen van CERN, de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek. Het is een belangrijk onderdeel van de Large Hadron Collider (LHC), ’s werelds grootste en krachtigste deeltjesversneller. ATLAS, gelegen in de buurt van Genève, wat staat voor ‘A Toroidal LHC ApparatuS’, richt zich op het verkennen van fundamentele aspecten van de natuurkunde.

ATLAS is ontworpen om een ​​breed scala aan wetenschappelijke vragen te onderzoeken. Het probeert de fundamentele krachten te begrijpen die onze wereld sinds het begin der tijden hebben gevormd en die haar lot zullen bepalen. Een van de belangrijkste doelen is het bestuderen van het Higgsdeeltje, het deeltje dat geassocieerd is met het Higgsveld en dat andere deeltjes hun massa geeft. De ontdekking van het Higgsdeeltje in 2012, een gezamenlijke inspanning van ATLAS en het CMS-experiment (Compact Muon Solenoid), was een mijlpaal in de natuurkunde.

Het experiment zoekt ook naar tekenen van nieuwe natuurkunde, waaronder de oorsprong van massa, extra dimensies en deeltjes waaruit donkere materie zou kunnen bestaan. ATLAS doet dit door de talloze deeltjes te analyseren die ontstaan ​​wanneer protonen met bijna de lichtsnelheid in de LHC botsen.

De ATLAS-detector zelf is een technologisch wonder. Het is enorm groot, ongeveer 45 meter lang, 25 meter in diameter en ongeveer 7.000 ton zwaar. De detector bestaat uit verschillende lagen, elk ontworpen om verschillende soorten deeltjes te detecteren die het gevolg zijn van proton-protonbotsingen. Het omvat een reeks technologieën: tracers om de trajecten van deeltjes te detecteren, calorimeters om hun energie te meten, en muonspectrometers om muonen te identificeren en te meten, een type zwaar elektron dat van fundamenteel belang is voor veel natuurkundig onderzoek.

De door ATLAS verzamelde gegevens zijn enorm, vaak beschreven in de petabytes. Deze gegevens worden geanalyseerd door een wereldwijde gemeenschap van wetenschappers, wat bijdraagt ​​aan ons begrip van de fundamentele natuurkunde en mogelijk kan leiden tot nieuwe ontdekkingen en technologieën.