大型强子对撞机在寻找暗物质方面开辟了新天地

宇宙中的暗物质分布

模拟宇宙中暗物质的分布。资料来源:V. Springel et al. 2005

最新的大型强子撞机的追捕,可以追求暗物质的假设粒子。

大型特罗龙撞机(LHC)被追捕并发现HIGGS玻色子,但在10年内,由于机器在高于先前在粒子加速器达到的能量下碰撞质子,研究人员已经使用它来尝试追捕一个同样令人兴奋的粒子:假设颗粒可以弥补一种称为暗物质的无形的物质形式,这比普通问题更普遍的五倍,而我们就像我们所知道的那样没有宇宙。到目前为止,LHC的黑暗物品搜索已经空手而归,因为没有碰撞者搜索,但LHC研究人员的令人难以置信的工作和技巧,发现它已经导致它们缩小了粒子可能的许多区域谎言隐藏 - 在发现的道路上的必要的里程碑。

“在LHC之前,暗物质的可能性比今天宽得多,”LHC暗物质工作组的UC Irvine和理论共同召集人的黑暗物理学蒂维特表示。

“LHC在寻找新的地面中,以弱相互作用的巨大颗粒的形式在寻找暗物质中,通过覆盖通过产生暗物质的生产预测的宽阵列,或者将其与普通物质相互作用的颗粒的产生。所有观察结果都与不包括暗物质的模型一致,并为我们提供重要信息,即什么类型的粒子不能再解释它。结果在如何寻找暗物质的新方向上有了指出的实验主义者,并促使理论家重新思考现有的思想,因为暗物质可能是什么 - 并且在某些情况下提出新的事情。“

做它,打破它,摇晃它

为了寻找暗物质,实验本质上是“制造它、打破它或摇晃它”。大型强子对撞机一直试图通过对撞质子束来实现这一目标。一些实验正在使用太空和地面上的望远镜来寻找暗物质粒子在太空中碰撞和碰撞时发出的间接信号。还有一些科学家仍在通过在地下探测器中寻找它们给原子核带来的刺激或“震动”来直接追逐这些难以捉摸的粒子。

“制造”的方法是“打破”和“摇晃”实验的补充,如果LHC检测到一个潜在的暗物质粒子,它将需要来自其他实验的确认来证明它确实是一个暗物质粒子。相比之下,如果直接和间接实验检测到来自暗物质粒子相互作用的信号,LHC的实验就可以设计来研究这种相互作用的细节。

ATLAS 13 TEV活动显示暗物质搜索

丢失横向动量的阿特拉斯探测器事件。一个横向动量为265 GeV(黄条)的光子被268 GeV丢失的横向动量(探测器对面的红色虚线)所平衡。信贷:阿特拉斯/欧洲核子研究中心

失动量信号和碰撞搜寻

那么LHC是如何在质子碰撞中寻找暗物质产生的迹象的呢?暗物质粒子在这种碰撞中存在的主要特征就是所谓的失去横向动量。为了寻找这个特征,研究人员将LHC探测器可以看到的粒子的动量加起来——更准确地说,是与质子束碰撞成直角的动量——并确定碰撞前所需的任何丢失动量。总动量应该是零,因为质子在碰撞前沿光束的方向运动。但如果碰撞后的总动量不是零,那么使其为零所需的动量可能被一个未被发现的暗物质粒子带走了。

动量缺失是大型强子对撞机两种主要搜索的基础。一种是所谓的全新物理模型,如超对称性(SUSY)模型。在超对称性模型中,标准粒子物理模型描述的已知粒子都有一个超对称的伴星粒子,它的量子特性叫做自旋,与伴星的量子特性相差半个单位。此外,在许多超对称性模型中,最轻的超对称粒子是弱相互作用大质量粒子(WIMP)。大质量弱相互作用粒子是最吸引人的候选暗物质粒子之一,因为它们可以产生目前宇宙中丰富的暗物质。以SUSY大质量弱相互作用粒子为目标的搜索,是为了寻找一对暗物质粒子加上粒子喷流和/或被称为轻子的粒子所失去的动量。

涉及缺失动量签名的另一种搜索是由简化模型引导的,其包括与已知的普通颗粒相互作用的Wimp样的暗物颗粒和介体颗粒。介体可以是已知的颗粒,例如Z玻色子或HIGGS玻色子,或未知的颗粒。这些模型近年来获得了显着的牵引力,因为它们非常简单,但本质上是一般的(完整的模型是特定的,因此范围较窄),它们可以用作基准,以便与LHC和非碰撞者的结果进行比较。物质实验。除了从一对暗物质颗粒的缺失动力之外,该第二种搜索还寻找至少一个高度充高能量的物体,例如颗粒或光子。

在简化模型的背景下,存在缺少动量搜索的替代方案,即寻找非物质粒子,而是通过其转化或“衰减”或“衰变”进入普通颗粒的介体粒子。这种方法在碰撞数据中,在碰撞数据中的平滑背景上寻找凹凸,例如具有两个喷射或两个百壳的事件的质量分布的凹凸。

缩小懦夫的范围

从这些WIMP搜索中实现的LHC实验是什么?简短的答案是他们还没有发现黑暗物质的迹象。较长的答案是,他们排除了理论Wimp领域的大块,并对暗物颗粒和介体颗粒的性质的允许值施加强烈的限制,例如它们的质量和与其他颗粒的相互作用强度。总结LHC实验的结果,阿特拉斯实验协作成员Caterina Doglioni表示,“我们已经完成了大量的隐形粒子和可见颗粒的专门搜索,这些搜索将发生在涉及暗物质的过程中,并且我们解释了这些搜索的结果许多不同的WIMP黑暗物种情景的条款,从简体模型到SESY模型。这项工作受益于实验主义者和理论家之间的合作,例如关于讨论平台,如LHC暗物质工作组(LHC DM WG),其中包括来自阿特拉斯,CMS和LHCB合作的理论家和代表。将LHC放置在全球WIMP搜索的背景下,包括直接和间接检测实验,也是在黑暗物业社区中的讨论焦点,讨论迄今为止如何在不同实验之间最佳利用协同作用具有同样的科学目标来寻找暗物质。“

给一个具体的例子的结果来自ATLAS实验的数据,聚苯胺,普里西拉ATLAS实验co-convener LHC暗物质工作组,突显出协作最近搜索完整的大型强子对撞机的数据集从机器的第二次运行(运行2),2015年至2018年收集,寻找希格斯玻色子的实例可能会衰变成暗物质粒子。Pani说:“我们没有发现这种衰变的例子,但我们能够设定迄今为止这种衰变发生的可能性的最大限度。”

大型强子对撞机暗物质工作组(LHC Dark Matter Working Group) CMS实验联席召集人菲尔·哈里斯(Phil Harris)强调了对一种衰减成两股喷射流的暗物质中介的搜索,例如最近基于Run 2数据的CMS搜索。

“这些所谓的Dijet搜索非常强大,因为它们可以探测大量的介质群体和相互作用的优势,”哈里斯说。

Xabier CID Vidal,LHCB实验CON-COPPER的LHC暗物质WG,反过来说明如何在R次运行1和R = BS MESON所谓的粒子的衰变中运行2的数据,使LHCB合作将对SESY模型的强烈限制施加强烈限制包括WIMPS。“B的腐烂年代介子成两个μ介子是非常敏感的超对称性理论粒子,如苏西WIMPs,因为发生衰减的频率可以非常不同于标准模型预测的如果苏西粒子,即使它们的质量太高直接探测到在大型强子对撞机,干扰衰减,”Cid维达尔说。

暗物质可能的解释

对暗物质本质的可能解释。作者:G. Bertone和T. M. P. Tait

撒更大的网

“10年前,大型强子对撞机的实验一直在寻找质量高于质子质量(1 GeV),低于几TeV的暗物质粒子。也就是说,他们的目标是经典的弱相互作用大质量粒子,就像SUSY预测的那样。快进10年,暗物质实验正在寻找质量低至1兆电子伏特至100兆电子伏特的类似wimp的粒子。而搜索的无效结果,比如LHC,激发了许多其他可能解释暗物质本质的解释,从模糊的暗物质组成的粒子质量低至10−22从eV到质量相当于几个太阳的原始黑洞。有鉴于此,暗物质团体已经开始撒下更大的网来探索更大的可能性。”

在对撞机前沿,大型强子对撞机的研究人员已经开始研究其中一些新的可能性。例如,他们已经开始研究一种假说,即暗物质是一个更大的黑暗区域的一部分,其中包含了几种新型的黑暗粒子。这些暗区粒子可能包括暗物质中的光子,暗光子,它会与其他暗区粒子以及已知粒子相互作用,以及超对称性模型预测的长寿粒子相互作用。

“黑暗部门的情景提供了一套新的实验签名,这是LHC物理学家的新游乐场,”Doglioni说。

“我们现在正在扩展我们熟悉的实验方法,因此我们可以尝试捕捉隐藏在大背景下的罕见和不寻常的信号。此外,许多其他目前和计划中的实验也瞄准了暗区和比大质量弱相互作用粒子更弱的粒子。其中一些实验,如新批准的FASER实验,正在与主要的LHC实验分享知识、技术甚至加速器,它们将补充LHC搜索非wimp暗物质的范围,如the欧洲核子研究中心潜水者的物理倡议。“

最后,大型强子对撞机的研究人员仍在研究第二次运行的数据,到目前为止,第一次和第二次运行收集到的数据只占实验记录总量的5%。考虑到这一点,以及从迄今为止进行的许多大型强子对撞机分析中获得的大量知识,也许大型强子对撞机将有机会在未来10年里发现一种暗物质粒子。“事实上,我们还没有发现它,而且我们可能在不远的将来发现它,这让我对我的工作感到兴奋,”哈里斯说。Cid Vidal说:“过去的10年已经向我们表明,暗物质可能与我们最初认为的不同,但这并不意味着它不在那里等待我们去发现。”

“无论多大或多小,需要多长时间,我们会留下没有石头的石头,”Pani说。

14日的评论在“大型强子撞机正在寻找暗物质”

  1. Marcel-Marie勒贝尔|2020年8月7日上午11:14|回复

    暗物质是真空,它是一个动态的过程,我们称之为时间。我们沐浴在其中,由它构成,也制造我们的工具。路到尽头了。我们的大脑可以解决这个问题,而不是工具。

  2. 霍华德·杰弗里·本德|2020年8月7日上午11:42|回复

    从字符串理论的角度来看,另一种可能性是,暗物质看作是串/反串湮灭的影响。如您所知,量子力学要求串必须在量子泡沫中成对形成 - 一个字符串和反串 - 立即互相湮灭。量子力学还需要串和反串,以围绕“乱码”,以减少其滔滔不绝的振动能量。如果这个抖动在它们的字符串/反串湮灭之后瞬间留下一小部分,该怎么办?在我们过于恢复泡沫之前,我们将通过我们看到这种临时抖动。这就是为什么我们从未见过它 - 只有那个瞬间持续但却一遍又一遍地重复的“质量”。可以在我的YouTube中找到它的细节https://www.youtube.com/watch?v=xdi0wyiydk.

  3. 暗物质是一种奇怪的东西,但如果它不是我们想象的那样呢?如果这只是估计中的一个小故障,如果存在不同类型的Dm……

  4. 我们对宇宙的组成和规律缺乏了解,但这并不意味着存在暗物质。释放你的思想,你的灵魂就会随之而来。

  5. Sankaravelayudhan Nandakumar.|8月7日,2020年晚上11:08|回复

    颗粒可以类似于Zeta函数颗粒的一种携带电场的动量,该磁场具有电场为1/2 +它,但沿着对称线转移,并且通过电场或磁场消耗额外的势头而无法检测到。通过互动具有杆和零可以解决问题。

  6. 有可能有更多的黑洞是我们所知道的,它们是不活动的,所以看不到。这将解释星系中丢失的质量。
    而实际上根本就没有暗物质?

  7. 托马斯·利奥塔|2020年8月8日凌晨3:30|回复

    宇宙正在膨胀成“某种东西”。它是在取代之前的一切,还是在膨胀,并以某种方式与之共存?DM可能是“其他东西”的影响。

  8. 亲爱的准科学家。拜托,停止人性。你已经偷了你的项目已经已经赚了数十亿欧元。你没有找到Higgs Boson。你也做了暗物质(你,不是大自然;-)) - 只是营销不佳的另一个例子。请为那些想要在工程,生物学,地球物理学研究的人员进行研究的人提供资金。yabo124没有人需要你的暗物质。实际上,这件事变得更近了。

  9. 我认为暗物质(DM)将与引力以及它如何“逃逸或泄漏”到我们无法察觉的维度(三个空间+时间之外)....
    正是这种“泄漏”的引力使引力成为迄今为止四种基本力中最弱的一种.....
    我还想假设我们永远不会发现引力子,因为虽然这样的粒子一定存在,但它存在于一个不可感知的额外空间维度......
    这个丢失的重力对整个宇宙有一个整体的影响,这解释了丢失的质量,我们称之为DM......
    我们永远不会找到明确的证据,直到我们进一步发展为文明,可以进一步在太空中进一步旅行,以进行这一太阳系中不可能的实验......

    如果我的想法偏离了我的思路,那么它很可能涉及到惰性中微子.......lol

  10. 在完成我的一半理论的一半(可以解释相对论的一半和量子物理学)的一半,我得出结论,暗能量本身是时间,每次移动粒子都会得到这种能量,因此时间(这种能量的另一个名称)变慢(因为这能量被颗粒吸收并转化为质量)。
    如果这让你感觉比Plese通知我,所以我可以进一步处理它并由YouTube视频详细解释

  11. 我建议审查当前的暗物质研究状态是为了在发布背叛您的赤字无知的情况下进行的。

    https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter

  12. Marcel-Marie Lebel|2020年8月19日上午9:08|回复

    邓肯,
    什么是质量,能量,因果关系,普朗克,时间等等?所有未知数! !物理学家们乐于与未知打交道,只要他们能给未知加上一个数字,而且在实验中它们的表现也很好。这种方法产生了大量的知识,但没有理解。我们需要确定这些实体是什么。这就是形而上学的工作。现在,这种可鄙的无知属于那些在哲学上受到挑战的科学家和在科学上受到挑战的哲学家。物理学要把它的知识转化为认识,就需要它的形而上学基础。物理学和形而上学是相互排斥的途径,但却是同一主题的互补方面。

  13. 暗物质就是所有我们在白光下看不到的电磁辐射,即使它仍然存在,暗物质是围绕着每一个生物的生物场。暗物质的本质上是与我们在暗背景的RNA暗物质是可见的,它出现在自然闪电,彩虹,水母等这些杰出的冷等离子体,或暗物质是不可见的,但我们一定能感觉到微妙的振动,冲动,爱,直觉不需要寻找暗物质,这里只是看不见,我们的内部和外部都围绕我们运转是柔软,可以操纵,这是我们身体能量,的部分我们隐藏在普通的场景中,它是我们故意集中的能量被压缩成物质进入我们的感知的现实,这就是所谓的现实创建、吸引力法则,磁性这真理必叫我们全部免费,所有物质和物质操纵(愈合、再生)的物质都开始在暗物质,或者说生物

  14. Donkere Materie Zal Nooit Worden Gedetecteerd。
    它的主人是谁?你是我的朋友!

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