Μια επαναστατική προσέγγιση στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων

Οι ερευνητές μελετούν εάν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης παράγονται πράγματι μέσα σε ένα πίδακα σωματιδίων Standard Model.

Η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης είναι ένα μακροχρόνιο μυστήριο στο σύμπαν μας. Η σκοτεινή ύλη αποτελεί περίπου το ένα τέταρτο του σύμπαντος μας, αλλά δεν αλληλεπιδρά σημαντικά με την κανονική ύλη. Η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης έχει επιβεβαιωθεί από μια σειρά αστροφυσικών και κοσμολογικών παρατηρήσεων, συμπεριλαμβανομένων πρόσφατων εκπληκτικών εικόνων που τραβήχτηκαν από το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb. Ωστόσο, μέχρι σήμερα, δεν έχει αναφερθεί πειραματική παρατήρηση της σκοτεινής ύλης. Η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης είναι ένα ερώτημα που ερευνούν οι επιστήμονες υψηλής ενέργειας και οι αστροφυσικοί σε όλο τον κόσμο εδώ και δεκαετίες.

Πρόοδοι στην έρευνα της σκοτεινής ύλης

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο διεξάγουμε έρευνα στη βασική επιστήμη, για να εξερευνήσουμε τα βαθύτερα μυστικά του σύμπαντος. Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων στο CERN «Είναι το μεγαλύτερο πείραμα που έχει δημιουργηθεί ποτέ και οι συγκρούσεις σωματιδίων που δημιουργούν συνθήκες σαν τη Μεγάλη Έκρηξη μπορούν να αξιοποιηθούν για να αναζητηθούν σημάδια σκοτεινής ύλης», λέει ο καθηγητής Deepak Kar, από τη Σχολή Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Witwatersrand στο Γιοχάνεσμπουργκ. Νότια Αφρική. .

Μια γραφική αναπαράσταση του πώς θα εμφανίζονταν σχεδόν ορατοί πίδακες στον ανιχνευτή ATLAS εάν υπήρχαν. Πίστωση: CERN

Δουλεύοντας στο πείραμα ATLAS στο CERN, ο Carr και η πρώην φοιτήτρια του διδάκτορα, Sukanya Sinha (τώρα μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ), πρωτοστάτησαν σε έναν νέο τρόπο αναζήτησης της σκοτεινής ύλης. Η έρευνά τους δημοσιεύτηκε στο περιοδικό, Γράμματα Φυσικής Β.

Μια νέα προσέγγιση για την ανίχνευση της σκοτεινής ύλης

«Υπήρξε ένας μεγάλος αριθμός αναζητήσεων για σκοτεινή ύλη στον LHC τις τελευταίες δεκαετίες τώρα, και έχουν επικεντρωθεί σε ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια, που ονομάζονται WIMPs», λέει ο Carr. “Τα WIMPS είναι μια κατηγορία σωματιδίων που υποτίθεται ότι εξηγούν τη σκοτεινή ύλη επειδή δεν απορροφούν ούτε εκπέμπουν φως και δεν αλληλεπιδρούν έντονα με άλλα σωματίδια. Ωστόσο, καθώς δεν έχουν βρεθεί μέχρι στιγμής στοιχεία για την ύπαρξη WIMP, συνειδητοποιήσαμε ότι η αναζήτηση της σκοτεινής ύλης χρειαζόταν Κβαντικό άλμα.

Ο Δρ Sukanya Sinha και ο καθηγητής Deepak Kar. Πίστωση: Wits University

«Αυτό που αναρωτιόμασταν ήταν εάν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης παράγονται πράγματι μέσα σε ένα ρεύμα σωματιδίων Standard Model», είπε ο Carr. Αυτό οδήγησε στην ανακάλυψη μιας νέας υπογραφής ανιχνευτή, γνωστής ως σχεδόν ορατοί πίδακες, που οι επιστήμονες δεν είχαν εξετάσει ποτέ πριν.

Οι υψηλής ενέργειας συγκρούσεις πρωτονίων παράγουν συχνά παράλληλους ψεκασμούς σωματιδίων, που συλλέγονται σε λεγόμενους πίδακες, από τη διάσπαση των συνηθισμένων κουάρκ ή γκλουονίων. Ημι-ορατές ροές μπορεί να προκύψουν όταν τα εικονικά σκοτεινά κουάρκ διασπώνται εν μέρει σε κουάρκ τυπικού μοντέλου (γνωστά σωματίδια) και εν μέρει σε σταθερά σκοτεινά αδρόνια (το «αόρατο μέρος»). Επειδή παράγονται σε ζεύγη, συνήθως μαζί με πρόσθετους τυπικούς πίδακες μοντέλων, προκύπτει ενεργειακή ανισορροπία ή απώλεια ενέργειας στον ανιχνευτή όταν όλοι οι πίδακες δεν είναι τέλεια ισορροπημένοι. Η κατεύθυνση της χαμένης ενέργειας αντιστοιχεί συχνά σε έναν από τους σχεδόν ορατούς πίδακες.

Αυτό καθιστά την αναζήτηση για σχεδόν ορατά πίδακες πολύ δύσκολη, καθώς αυτή η υπογραφή συμβάντος μπορεί επίσης να προκύψει λόγω εσφαλμένων μετρήσεων πίδακες στον ανιχνευτή. Η νέα μέθοδος αναζήτησης της σκοτεινής ύλης των Carr και Sinha ανοίγει νέες κατευθύνσεις στην αναζήτηση της ύπαρξης της σκοτεινής ύλης.

«Αν και η διδακτορική μου διατριβή δεν περιέχει μια ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης, θέτει τα πρώτα και αρκετά αυστηρά ανώτερα όρια σε αυτόν τον τρόπο παραγωγής και εμπνέει ήδη περαιτέρω μελέτες», λέει ο Sinha.

Η συνεργασία του ATLAS στο CERN το έχει επισημάνει ως ένα από τα βασικά αποτελέσματα που θα ανακοινωθούν στα καλοκαιρινά συνέδρια.

Παραπομπή: «Διερεύνηση της παραγωγής μη συντονισμού σχεδόν ορατών πίδακα με χρήση δεδομένων ATLAS Run 2» από την The ATLAS Collaboration, 11 Νοεμβρίου 2023, Γράμματα Φυσικής Β.
doi: 10.1016/j.physletb.2023.138324

Πειράματα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στην Ευρώπη, όπως το θερμιδόμετρο ATLAS που παρουσιάζεται εδώ, παρέχουν πιο ακριβείς μετρήσεις των θεμελιωδών σωματιδίων. Πηγή εικόνας: Maximilian Price, CERN

εμπειρία Atlas

Το πείραμα ATLAS είναι ένα από τα σημαντικότερα επιστημονικά εγχειρήματα του CERN, του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Πυρηνικής Έρευνας. Αποτελεί βασικό τμήμα του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), του μεγαλύτερου και ισχυρότερου επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο. Βρίσκεται κοντά στη Γενεύη, το ATLAS, το οποίο σημαίνει “A Toroidal LHC ApparatuS”, εστιάζει στην εξερεύνηση θεμελιωδών πτυχών της φυσικής.

Το ATLAS έχει σχεδιαστεί για να διερευνά ένα ευρύ φάσμα επιστημονικών ερωτημάτων. Επιδιώκει να κατανοήσει τις θεμελιώδεις δυνάμεις που διαμόρφωσαν τον κόσμο μας από την αρχή του χρόνου και που θα καθορίσουν τη μοίρα του. Ένας από τους κύριους στόχους του είναι να μελετήσει το μποζόνιο Higgs, το σωματίδιο που σχετίζεται με το πεδίο Higgs, το οποίο δίνει σε άλλα σωματίδια τη μάζα τους. Η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs το 2012, μια κοινή προσπάθεια μεταξύ του ATLAS και του πειράματος CMS (Compact Muon Solenoid), ήταν ένα επίτευγμα ορόσημο στη φυσική.

Το πείραμα αναζητά επίσης σημάδια νέας φυσικής, συμπεριλαμβανομένων της προέλευσης της μάζας, των επιπλέον διαστάσεων και των σωματιδίων που θα μπορούσαν να συνθέσουν τη σκοτεινή ύλη. Το ATLAS το κάνει αυτό αναλύοντας τα αμέτρητα σωματίδια που παράγονται όταν τα πρωτόνια συγκρούονται με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός μέσα στον LHC.

Ο ίδιος ο ανιχνευτής ATLAS είναι ένα τεχνολογικό θαύμα. Είναι τεράστιο σε μέγεθος, έχει μήκος περίπου 45 μέτρα, διάμετρο 25 μέτρα και βάρος περίπου 7.000 τόνους. Ο ανιχνευτής αποτελείται από διαφορετικά στρώματα, το καθένα σχεδιασμένο να ανιχνεύει διαφορετικούς τύπους σωματιδίων που προκύπτουν από συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου. Περιλαμβάνει μια σειρά τεχνολογιών: ιχνηθέτες για την ανίχνευση τροχιών σωματιδίων, θερμιδόμετρα για τη μέτρηση της ενέργειάς τους και φασματόμετρα μιονίων για τον εντοπισμό και τη μέτρηση μιονίων, έναν τύπο βαρέων ηλεκτρονίων που είναι θεμελιώδης για πολλές έρευνες της φυσικής.

Τα δεδομένα που συλλέγονται από το ATLAS είναι τεράστια, συχνά περιγράφονται στα petabyte. Αυτά τα δεδομένα αναλύονται από μια παγκόσμια κοινότητα επιστημόνων, συμβάλλοντας στην κατανόησή μας για τη θεμελιώδη φυσική και δυνητικά οδηγώντας σε νέες ανακαλύψεις και τεχνολογίες.