كيف يبحثون عن المادة المظلمة في مصادم هادرون الكبير

المادة المظلمة هي شيء أكثر مراوغة من مفاتيح السيارة المفقودة ، وهي أكثر غموضاً من حرق الأيقونة على لوحة عدادات السيارة. من المحتمل أنها موجودة ، وإذا كان الأمر كذلك ، فهي تتكون من معظم مادة الكون. يمكن أن تتكون من جزيئات ، وإذا كان الأمر كذلك ، وإذا كان العلماء محظوظين ، فإن مصادم الهادرون الكبير (LHC) سيكون قادرًا على إنشاء بعضها. على أي حال ، في التجارب التي أجريت على LHC ، يمكن للمرء أيضًا البحث عن هذه الجسيمات (على الرغم من أنه قد يكون من الأسهل العثور على مفاتيح السيارة).

في هذه المقالة ، سأحاول الإجابة على أسئلة واضحة حول كيف يمكن للعلماء الذين يعانون من المصادم LHC ملاحظة آثار جسيم جديد غير قابل للكشف ، وكيف يمكنهم الحصول على دليل على أن هذا الجسيم ينتمي حقًا إلى المادة المظلمة.

المحقق: هل تريد لفت انتباهي إلى أي شيء آخر؟
شيرلوك هولمز: في حادث ليلي غريب مع كلب.
المحقق: ولكن الكلب لم يفعل شيئا في الليل.
شيرلوك هولمز: كان ذلك غريبًا.

- إيه كيه دويل

كيف يمكن لتجارب المصادم LHC اكتشاف ما لا يمكن اكتشافه؟

يمكن أن تشارك التجارب على ATLAS LHC و CMS بالفعل في البحث عن المادة المظلمة. هذا ليس مثل البحث عن المفاتيح ، لأنه في التجارب لا يأمل أحد في اكتشاف المادة المظلمة مباشرة. ولكن بعد كل شيء ، لا أحد منهم يكتشف النيوترينو مباشرة!

خلقت النيوترينوات عدة مرات في الثانية في تصادمات البروتون على LHC تمر عبر ATLAS و CMS دون لمس أي شيء وعدم ترك أي آثار. على الرغم من ذلك ، يمكن أن يستنتج ATLAS و CMS أنه تم الحصول على النيوترينوات - ويمكنهما استخدام نفس التكنولوجيا للمادة المظلمة. سأشرح ذلك الآن ؛ إنها بسيطة للغاية. ثم سأشرح شيئًا أكثر تعقيدًا قليلاً - كيفية تمييز المادة المظلمة عن النيوترينوات.

ملحوظة: عندما أكتب "غير قابل للكشف" ، أعني "غير قابل للكشف في تجارب المصادم LHC". لا يمكن الكشف عن النيوترينو على المصادم LHC ، لكنه يستطيع - بصعوبة كبيرة واحتمال منخفض - في تجارب مختلفة تمامًا. تشارك حاويات المياه الضخمة في مثل هذه التجارب الضخمة ، وفي بعض الحالات تمكنوا من اكتشاف عدد قليل من النيوترينوات شهريًا! مع المادة المظلمة ، يمكن أن تكون الأشياء متشابهة ؛ تم تصميم العديد من التجارب لهذا الغرض.

المبدأ الأساسي هو قانون الحفاظ على الزخم. من السهل التوضيح ، خاصة إذا كنت خرقاء بما فيه الكفاية. خذ كوبًا من الماء ، واسكبه بحدة على الأرض مباشرة في الحمام. نتيجة لذلك ، ستظهر البقع. في الشكل. يوضح الشكل 1 كيف ينثر الماء في جميع الاتجاهات ويشكل نمطًا دائريًا تقريبًا على الأرض. من المهم أن يحدث هذا في جميع الاتجاهات. لن ترى رش الماء على اليسار فقط ، وليس على اليمين. يحدث هذا نتيجة للحفاظ على الزخم.


التين. 1: عواقب الحفاظ على الزخم. أ) رذاذ الماء في كل الاتجاهات. ب) ينفجر التحية في كل الاتجاهات. ج) تحلق الطائرة إلى الأمام ، حيث تدفع توربيناتها الهواء إلى الخلف. د) عندما تطلق الرصاصة من مسدس ، تطير الرصاصة إلى الأمام ، ويعود المسدس إلى الارتداد. هـ) الطرد إلى أسفل يحرك الصاروخ لأعلى.

يمكنك الخروج بالعديد من الأمثلة التي يلعب فيها قانون الحفاظ على الزخم الدور الرئيسي. قد تختلف التفاصيل ، ولكن المبدأ الأساسي لا يزال هو نفسه.




التين. 2

في الشكل. يوضح الشكل 2 تجربة يمكنك تكرارها بنفسك. تضخيم الكرة وتوجيه رقبتها نحوك وتحريرها. ستطير الكرة بعيدًا عنك. لماذا؟ لأن الهواء من الكرة يندفع نحوك - يمكنك حتى الشعور به. لكن صديقك ، الذي يشاهد هذا من الطرف الآخر من الغرفة ، لا يشعر بالهواء يخرج ولا يراه. ولكن إذا كان يعرف قانون الحفاظ على الزخم ، فيمكنه أن يفترض أن الهواء يجب أن يخرج من الكرة نحوك - وهذا هو السبب الوحيد الذي يجعل الكرة الثابتة تبدأ بالابتعاد عنك عند إطلاقها. القدرة على افتراض أن لديك شيئًا لا تراه أو تكتشفه بأي شكل من الأشكال هي الفكرة الرئيسية للتجربة.

إن اصطدام بروتونين على LHC يشبه رش الماء في روحك ، فقط المحور الرأسي يتم تدويره إلى أفقي. يحدث التصادم في المقدمة ، على محور واحد - دعنا نسميها "اتجاه الشعاع" ، ينتقل من اليمين إلى اليسار في الشكل. 3. سوف ندعو إلى اتجاهين آخرين ، من أعلى إلى أسفل وعمودي على الصورة - عرضية ، أو عمودية على اتجاه الشعاع.


التين. 3

بعد الاصطدام ، تظهر عشرات الجسيمات (الهدرونات الأخرى التي تم إنشاؤها بسبب طاقة التصادم) وتنتشر ، وتطير في الغالب في اتجاه الشعاع. إنهم ليسوا مثيرين للاهتمام بالنسبة لنا - من الصعب قياسهم ، ولن يجيبوا على أسئلة علماء الفيزياء الذين يهمهم الأمر اليوم. تظهر أيضًا الجسيمات ذات الزخم الصغير جدًا ، وهي أيضًا ليست مهمة بالنسبة لنا.

لكن في بعض الأحيان تطير بعض الجسيمات بعيدًا في الاتجاهات العرضية وتحمل زخمًا كبيرًا - نحن نتحدث عن "زخمها العرضي" الكبير. لكن قانون الحفاظ على الزخم يشير إلى أنه بما أن البروتونات الأولية لم يكن لديها زخم عرضي ، فيجب أن يكون الزخم العرضي الكلي لجميع الجسيمات متوازناً. إذا ارتفع جسيم واحد ، فيجب أن ينخفض ​​جسيم واحد أو أكثر. إذا كان الجسيم يطير نحوك ، فيجب أن يكون هناك من يطير بعيدًا عنك.

يظهر الشكل الكلاسيكي للتصادم في الشكل. 4. يحدث تصادم البروتونات في مركز كاشف ATLAS ، الذي اكتشف ويقيس آثار الجسيمات الناتجة عن التصادم. ثم تم رسم هذه المسارات على جهاز كمبيوتر حتى يتمكن العلماء من رؤية وجهتهم. معظم الجسيمات متناثرة إلى اليسار واليمين ، ولا تظهر هنا. تشير الآثار الزرقاء إلى مسارات الجسيمات ذات الزخم الصغير جدًا. لكن مساران أصفران ينتهيان بالبقع الصفراء يشيران إلى جسيمات ذات طاقات عالية وعزم. واحد منهم هو إلكترون يطير. وحتى قبل أن ننتقل إلى جسيم آخر ، نعلم بالفعل من قانون الحفظ أن جسيمًا واحدًا على الأقل له زخم عرضي كبير يجب أن يطير إلى أسفل. وها هو - أثر أصفر أدناه ، تبين أنه مضاد للإلكترون ، أو بوزيترون.


التين. 4

لكن في الشكل. 5 يمكنك رؤية تصادم آخر - من تجربة CMS. يطير الإلكترون إلى الأعلى فيه ، كما في الشكل. 4. ولكن ليس جسيم واحد مع زخم عرضي كبير يطير إلى الأسفل. ما الذي يجري؟


التين. 5

على الأرجح ، طار جسيم إلى الأسفل ، لكن التجربة لم تستطع اكتشافه. لأن العلماء يعرفون أن:
• لا يمكن لـ CMS اكتشاف النيوترينوهات ومضادات النيوترينوات ،
• تتكون الإلكترونات ومضادات النيوترينوات غالبًا معًا نتيجة لتحلل جسيم W ،

سيكون من الطبيعي أن نفترض أن هذا هو ما يحدث بالضبط هنا: يطير الإلكترون CMS المكتشف ، ويطير antineutrino ، والذي لا يمكن لـ CMS اكتشافه.

بالطبع ، يطرح السؤال ما إذا كان قد لا يتم الحفاظ على الدافع. هذا أمر غير مرجح - انظر فقط إلى مجموعة واسعة من التجارب التي أجريت على مدى عدة عقود ، بما في ذلك تلك التي تم إجراؤها على ATLAS و CMS ، وسيتضح أن كل شيء يتحدث لصالح الحفاظ على الزخم.

حتى الآن ، كان كل شيء تخطيطيًا وعلى مستوى نوعي ، ولكن من المهم أن نفهم أن الفيزيائيين يمكنهم تقديم بيانات كمية دقيقة حول الحفاظ على الزخم. على سبيل المثال: إذا كان من المعروف أن الزخم في الاتجاهات العرضية هو في البداية صفر قبل التصادم ، فيمكنك أخذ كل اللحظات من الاتجاهات العرضية ، وإضافتها كمتجهات ، وتوقع أن يتحول مجموعها إلى صفر.

في اصطدام البروتون ، يكون زخمها في الاتجاهات العرضية صفرًا. بعد الاصطدام في ATLAS ، تقيس التجربة جميع الجسيمات المكتشفة. تسير بعض الجسيمات في اتجاه الشعاع ، ولا يتم قياسها - ولكن ليس لديها زخم عرضي. بالنسبة للبعض ، الزخم العرضي لا يكاد يذكر. ولكن بالنسبة للبعض ، يمكن أن يكون رائعا. إذا جمعنا النبضات المستعرضة وكان مجموعها قريبًا من الصفر (لا يوجد قياس مثالي) ، يمكننا أن نستنتج أن ATLAS قد اكتشف بنجاح جميع الجسيمات. ولكن إذا كان المجموع بعيدًا عن الصفر ، فيمكننا أن نستنتج أن ATLAS لا يمكنه اكتشاف جسيم واحد أو أكثر بزخم عرضي. يمكن أن تكون الجسيمات المعروفة - النيوترينوات - أو غير معروفة ، على سبيل المثال ، المادة المظلمة.

الآن أنت تعلم أنه إذا ظهرت جسيمات المادة المظلمة في تجارب ATLAS أو CMS ، فلا يمكن اكتشافها. ولكن سيتمكن المجربون من الافتراض ، في حالة عندما يكون مجموع العزم المستعرض غير صفري ، أنه تم الحصول على واحد أو أكثر من الجسيمات غير القابلة للكشف.

بالطبع ، يحدث الشيء نفسه عندما يتم إنشاء النيوترينو في التجارب - وهذا يحدث عدة مرات في الثانية. إذًا كيف يمكن للمصادم LHC معرفة أنه حصل على شيء مختلف عن النيوترينو؟ وكيف يمكن للعلماء أن يفهموا أن هذا المنتج الجديد مادة مظلمة؟

كيف يمكن لتجارب المصادم LHC التمييز بين المادة المظلمة والنيوترينوات؟

في القسم السابق ، أوضحت كيف يمكن لمجربى ATLAS أو CMS أن يكتشفوا أنه في أحد تصادمات البروتون ظهر جسيم واحد أو أكثر من خلال تجربة دون أن يتم اكتشافه. لكن كيف يمكن للمجربين معرفة ما إذا وجدوا شيئًا جديدًا ومثيرًا للدهشة ، على سبيل المثال ، جزيئات المادة المظلمة بدلاً من النيوترينوات العادية التي عرفناها لعقود عديدة؟ لماذا لا نجمع المشتبه بهم المعتادين فقط ، بدلاً من الإعلان عن ظهور مجرم جديد في المدينة؟

ببساطة ، لا يمكن للمرء أن يقول أي نوع من الجسيمات غير القابلة للكشف ظهرت في هذه التجربة بالذات. كما أنه من غير المعروف عادة عدد الجسيمات التي ظهرت. بدلاً من ذلك ، يتم جمع المعلومات من عدد كبير من التصادمات. على وجه التحديد ، ينتج عن مقارنة البيانات التي تم الحصول عليها مع تنبؤات المعادلات المستخدمة لوصف الجسيمات والقوى المعروفة ، والتي تسمى "النموذج القياسي". سأعطيك مثالاً واحدًا عن كيفية عمل ذلك.

أسهل طريقة لتخيل أنه في تصادم البروتونات تم إنشاء نيوترينين ، أو جزيئين من المادة المظلمة ، أو اثنين من بعض الكيانات التي لا يمكن اكتشافها. افترض (الشكل 6) أن هذين الجسيمين فقط يمتلكان زخمًا عرضيًا كبيرًا (تذكر أنه في التصادمات عادة ما يتم إنشاء العديد من الهدرونات ، ولكنها عادة ما تكون مبعثرة في اتجاه الحزمة ، وزخمها العرضي صغير). ثم لن نرى أي شيء! على سبيل المثال ، يمكن أن يرتفع أحد هذه الجسيمات ، والثاني - لأسفل ، مع نبضات من نفس الحجم وعكس الاتجاه - تمامًا كما كان مع الإلكترون والبوزيترون في الشكل. 4. ولكن إذا لم يتم الكشف عن الجسيمين ، فستبدو اللحظة العرضية للجسيمات المكتشفة متوازنة ، ولن نعرف حتى أن الجسيمات غير القابلة للاكتشاف قد ولدت هناك!


التين. 6

لكن ليس كل شيء ضاع. عادة في تصادمات البروتون عند ولادة أي جسيمات ذات زخم عرضي كبير ، تظهر أيضًا غلوونات عشوائية عالية الطاقة. في بعض الأحيان يطير مثل هذا الغلوون (أو عدة غلونات) في الاتجاه العرضي ، ويحصل أيضًا على زخم عرضي كبير. ثم سنرى شيئًا مثل ذلك الموضح في الشكل. 7. يسمى هذا الحدث "حدث أحادي النفاثة" ، وهناك نفاثة ذات زخم عرضي كبير (بخاخات هادرون تم إنشاؤها بواسطة غلوون) ترتد من "لا شيء" ، ربما من نيوترينو ومضاد نيوترين غير مكتشف (من التحلل) جزيئات Z).

قارن الصورة. 6 والتين. 7: الآن لدينا طائرة ذات زخم عرضي كبير منها جزيئين لم يتم اكتشافهما. بما أننا نرى الطائرة ، نستنتج أن الزخم العرضي للجسيمات التي تمت ملاحظتها غير متوازن ، وأن الجسيمات غير القابلة للاكتشاف من نوع معين قد ولدت.


التين. 7

في الشكل. يوضح الشكل 8 نفس التصادم كما في الشكل. 7 ، فقط اتجاه الشعاع عليه عمودي على الصورة.


التين. 8

الآن مثال حقيقي على monojet لوحظ في تجربة ATLAS. في الشكل ، يكون اتجاه الشعاع عموديًا على الصورة.


التين. 9

تتميز تجربة ATLAS ببنية منتفخة ومجهزة بأجهزة استشعار على عدة مستويات. حدث الاشتباك بالضبط في الوسط. يوضح قسم التتبع مسارات الجسيمات التي تشكل الطائرة. في أقسام "المسعرات الحرارية" (الكهرومغناطيسية والهادرون) ، تتميز طاقة الجسيمات بنقاط خضراء وحمراء. يرجى ملاحظة أنه لا توجد آثار أو نقاط كبيرة في أي مكان آخر ، مما يعني أن إجمالي الزخم العرضي لا يساوي صفر. الآثار التي تؤدي إلى اليسار ولها لحظة جانبية قليلة جدًا ، وهي تقترب كثيرًا من اتجاه الشعاع. يعتقد العلماء أنه في هذه الحالة ، تم الحصول على الأرجح على الغلوون والنيوترينو ومضادات النيترينو. لكن في الواقع ، لا يمكن للمرء التأكد من الجزيئات التي تم الحصول عليها في هذا التصادم.

يسمح النموذج القياسي بدقة جيدة إلى حد ما للتنبؤ بنسبة النسبة المئوية لتصادمات البروتون التي سيتم ملاحظتها لنقص معين في الزخم العرضي. هذا مبين في الشكل. 10. يشير الجزء العلوي من الجزء الأزرق إلى توقع النموذج القياسي للتردد الذي ستظهر عنده النيوترينوات بنفاثة واحدة على الأقل (تتكون من عدة مكونات محددة بألوان مختلفة ؛ الأزرق هو أكبر تأثير بسبب جزيئات Z التي تولد أزواج نيوترينو / antineutrino: تم تمييز البيانات بنقاط سوداء ، والأخطاء رأسية.


التين. 10. بيانات من CMS (النقاط السوداء) وتوقعات النموذج القياسي (المساحات الملونة). على المحور الرأسي - عدد الأحداث التي يوجد فيها نقص معين في الزخم العرضي ؛ على المحور الأفقي - الاندفاع المفقود E _T ^يغيب . لاحظ مدى مطابقة البيانات للتنبؤات. من الواضح أن الخط الأحمر - التأثير الذي ستتركه الجاذبية ، يختفي في أبعاد إضافية - لم يتم تأكيده. يرجى ملاحظة أن الرسم البياني لوغاريتمي.

سيتم تأكيد وجود خط أحمر متقطع في وجود الجاذبية تختفي في أبعاد إضافية . تتوافق البيانات بشكل واضح مع النموذج القياسي وتستبعد وجود الجرافيتون. أيضًا ، لا تتوافق البيانات (على الرغم من أنها ليست واضحة جدًا) مع المظهر المحتمل لجسيمات المادة المظلمة (الجسيمات ذات كتلة معينة وقوة تفاعل معينة) ، المشار إليها بخط أزرق صلب. إذا ظهرت مثل هذه الجسيمات ، فإن النقاط 2-3 الأخيرة ستكون أعلى بكثير.

في هذا المثال ، يمكنك أن ترى مدى روعة استخدام معادلات النموذج القياسي للتنبؤ بالجسيمات المعروفة. إنها تسمح لنا بتحديد عدد المرات التي يجب أن نتوقع فيها أن ترتفع الطائرة من "لا شيء" ، أي من النيوترينوات غير القابلة للكشف. سيتزامن هذا التنبؤ مع البيانات إذا لم تظهر أنواع أخرى من الجسيمات غير القابلة للكشف في التصادمات على المصادم LHC. ونتوقع ألا تتحقق التنبؤات إلا إذا ظهرت أنواع جديدة من الجسيمات غير القابلة للكشف على المصادم LHC و / أو النيوترينوات تظهر عليها بطريقة غير معروفة لنا - على سبيل المثال ، نتيجة لتحلل نوع جديد من الجسيمات غير المستقرة.

هذه إستراتيجية تجربة شائعة. لدينا العديد من التنبؤات ، والعديد من الأبعاد التي نتحقق من خلالها توزيع الزخم العرضي المفقود في مجموعات كبيرة من التصادمات المماثلة. إذا وجدنا أن التنبؤات لم تتحقق ، فسيحدث شيء لم يتم تفسيره بواسطة النموذج القياسي ، أي إما ظهور جسيمات غير معروفة غير معروفة ، أو معروفة (النيوترينوات) ولكن ليس بالطريقة التي نتوقعها.

سيظهر مثل هذا الاكتشاف أن النموذج القياسي لا يصف بوضوح جميع الفيزياء في المصادم LHC ، وسيجلب العديد من المكافآت للمجربين. لكن تفسيره سيكون غامضا للغاية! حتى لو تلقينا جزيئات من المادة المظلمة ، فلن يكون ذلك واضحًا تمامًا! سنعرف فقط أنه في عملية معينة بشكل غير متوقع في كثير من الأحيان تولد جسيمات غير قابلة للكشف. إن الانتقال منها إلى جزيئات المادة المظلمة سيكون غير منطقي.

كيف يمكن للعلماء التمييز بين الاحتمالات المختلفة والتوصل في النهاية إلى استنتاج حول اكتشاف المادة المظلمة؟ لن يكون الأمر سهلاً وقد يستغرق سنوات عديدة أو حتى عقود.

مثالان آخران

لكن أولاً ، اسمحوا لي أن أقدم لكم مثالين إضافيين على كيفية ظهور المادة المظلمة أو الجسيمات الأخرى التي لا يمكن اكتشافها. يمكن لبوسون هيجز المكتشف مؤخرًا أن يتحلل في بعض الأحيان إلى مادة مظلمة أو إلى شيء لا يمكن اكتشافه. هذا ما يسمى ب إن اضمحلال هيجز غير المرئي في النموذج القياسي نادرة للغاية ، لذلك إذا تبين أنها تحدث في كثير من الأحيان ، فسيكون هذا اكتشافًا مذهلاً! وقد تم بالفعل البحث عن مثل هذه الاضمحلال. لا يمكن ملاحظة اضمحلال هيجز غير المرئي مباشرة ، ولكن غالبًا ما يتكون هيجز من جسيمات W ، أو جزيئات Z ، أو أزواج معينة من الكواركات (مع إعطاء نفاثات محددة قريبة نسبيًا من الحزمة - انظر الشكل 11). ويمكن ملاحظتها بالفعل ، بالإضافة إلى نقص الزخم العرضي من هيجز ، والذي يتحلل إلى جزيئات لا يمكن اكتشافها. ولكن ، كالمعتاد ، يمكن العثور على هذه الإشارة أيضًا في النموذج القياسي - عندما يتحلل الجسيم Z إلى نيوترينو بدلاً من انحلال هيجز في المادة المظلمة. يمكن تمييزها فقط من خلال حساب عدد التصادمات من هذا النوع ، والتحقق من مدى تجاوز هذا الرقم لتوقعات النموذج القياسي.


التين. 11. يمكن أن ينشأ جسيم هيجز (H) مع اثنين من الكواركات عالية الطاقة ، كل منها يولد نفاثة عالية الطاقة (هدران التشتت). مثل هذه الطائرات غير المعتادة ترتد من هيجز ، والتي يمكن أن يؤدي انحلالها إلى جسيمات غير قابلة للكشف إلى ظهور نقص كبير في الزخم العرضي. ولكن يمكن أن تنشأ نفس الإشارة عندما يتم إنتاج جسيم Z نتيجة للتصادم ، والذي يتحلل إلى النيوترينوات ومضادات النيوترينو.

مثال آخر: في العديد من المتغيرات في فيزياء الجسيمات التي ينظر فيها العلماء ، بما في ذلك ، على سبيل المثال لا الحصر ، التناظر الفائق ، تتوقع المعادلات وجود جسيم جديد مشحون كهربائيًا قادرًا على التحلل في المادة المظلمة. في هذه الحالة ، نتيجة لتصادم البروتونات ، لا يمكن أن يسمى ظهور الإلكترون (أو الميون) ومضاد الإلكترون (أو الأنتيمون) وجسيمات المادة المظلمة التي لم يتم اكتشافها وتعطي اللحظة العرضية المفقودة غير عادية (الشكل 12).


التين. 12

المشكلة الوحيدة هي أن الجسيمات المعروفة يمكن أن تترك مثل هذه الصورة. عندما يولد جسيم W موجب الشحنة وجسيمه المضاد (جسيم W مشحون بشكل سلبي) في تصادمات ، يمكن أن تتحلل هذه الجسيمات إلى شيء يشبه تمامًا التين. 12 ، فقط بدلاً من جزيئين من المادة المظلمة سوف يولدون النيوترينوات ومضادات النيوترينو. الطريقة الوحيدة لاكتشاف المادة المظلمة هي إجراء الحسابات. إذا تم إنشاء جسيمات جديدة بالإضافة إلى W ، فسيكون عدد التصادمات من هذا النوع أكبر من المتوقع. من المثير للاهتمام أنه في البيانات الحالية من المصادم LHC ، هناك تصادمات أكثر مما هو متوقع - ليس بقدر ما يكون سعيدًا جدًا بهذا ، ولكن يكفي لمراقبة كيفية جمع المصادم LHC بعناية كمية كبيرة من البيانات.

هذه ليست سوى ثلاثة من الأمثلة العديدة. هناك المزيد من الأفكار حول ما يمكن أن تتحول إليه المادة المظلمة أكثر من وجود خبراء في المادة المظلمة ، وفي كل حالة هناك العديد من الخيارات لكيفية إنشاء المادة المظلمة على LHC. لذلك ، فإن الباحثين غير متأكدين من كيفية البحث عنه في التجارب - وهم يعدون برنامجًا واسعًا جدًا ومتنوعًا من عمليات البحث حتى لا يفوتك أي شيء.

حتى لو تم العثور على جسيمات جديدة غير قابلة للكشف على المصادم LHC ، فهل ستكون جزيئات المادة المظلمة حقًا؟

كيف يمكن للتجارب على المصادم LHC أن تثبت أنها تلقت مادة مظلمة؟ مستحيل. على الأقل من تلقاء نفسها. حتى لو حصلوا على نوع جديد من الجسيمات غير القابلة للاكتشاف ، فسيتعين عليهم التعاون مع تجربة واحدة على الأقل يمكنها التحقق مما إذا كانت المادة المظلمة قد تحولت بالفعل (المادة التي يكون الكون غنيًا بها). لا تثبت المعلومات البسيطة حول وجود نوع معين من الجسيمات أن هذه الجسيمات في الكون هي الأكثر. يمكن أن تشكل ، مثل النيوترينوات ، جزءًا صغيرًا من مسألة الكون. أو لا شيء على الإطلاق - إذا كانت الجسيمات الجديدة غير مستقرة (كما يحدث مع معظم الجسيمات) ، وسوف تعيش طويلًا بما يكفي للطيران دون أن يلاحظها أحد خارج أجهزة استشعار المصادم LHC قبل انحلالها ، ولكنها صغيرة بما يكفي لتختفي من الكون بعد فترة قصيرة من الانفجار الكبير .

باختصار: حتى إذا تم الكشف عن فئة جديدة من الجسيمات لم تكتشفها أجهزة الاستشعار على LHC ، فلن يتمكن المجربون من تحديد عدد هذه الجسيمات في الكون اليوم. TANK غير مخصص لهذا الغرض.

ماذا تفعل؟ يمكن استخدام المصادم LHC لتحديد بعض خواص الجسيمات الجديدة ، وعمل افتراضات معينة. على سبيل المثال ، أعطيت في القسم السابق ثلاثة أمثلة لكيفية اكتشاف الجسيمات غير القابلة للاكتشاف. في كل حالة ، تم الحصول على الجسيمات بطريقة معينة. على سبيل المثال ، إذا تم إنشاء هذه الجسيمات فقط ، فعند حدوث التصادم تم الحصول على طائرة واحدة (الشكل 8). إذا ولدت الجسيمات من اضمحلال هيجز ، تم الحصول على نفاثات عالية الطاقة من كواركين محددين (الشكل 11). إذا تم إنشاؤها أثناء تحلل جسيم مشحون جديد (الشكل 12) ، فإن هذا يحدث في وجود لبتون مشحون ومضاد شحنة (لبتون مشحون هو إلكترون أو ميون أو تاو). لذا ، ملاحظة ما يصاحب الجسيمات الجديدة ، والتعمق في تفاصيل العزم المستعرض المفقود ،يمكن للعلماء من حيث المبدأ أن يفترضوا طبيعة هذه الجسيمات الجديدة. يمكن التعبير عنها من خلال المعادلات التي يمكن استخدامها لإجراء التنبؤات.

والآن نحن على وشك الوصول. إذا كان لديك فرضية حول ماهية الجسيم الجديد ، يمكنك أن تسأل نفسك - كيف ستتصرف المادة المظلمة إذا كانت تتكون من جسيمات من هذا النوع؟

على سبيل المثال ، يمكن للمرء أن يتساءل كيف نادرا ما تتفاعل هذه الجسيمات مع المادة العادية؟ كم من الطاقة ستبقى بعد التفاعلات؟ بمعرفة مقدار المادة المظلمة الموجودة في الكون ، يمكن للمرء أن يتنبأ بعدد التجارب السرية مثل LUX ، XENON100 ، CDMS ، إلخ. سوف تتلقى إشارات من هذا النوع من المادة المظلمة. ربما يكون هذا المبلغ كبيرًا جدًا لدرجة أنه تم دحض الفرضية بالفعل؟ أم أنها صغيرة للغاية لدرجة أنها لم تستلم مثل هذه الإشارات بعد ، لكنها كبيرة بما يكفي لاستقبالها في المستقبل المنظور؟

سؤال آخر: ماذا يحدث إذا اجتمعت جسيمات المادة المظلمة في مكان ما في مركز مجرتنا أو في مراكز المجرات القزمة القريبة؟ هل يمكن أن تبيد وتنتج جزيئات مرئية ، مثل الإلكترونات ، ومضادات الإلكترونات ، ومضادات البروتونات ، والفوتونات (ربما في شكل أشعة غاما أو أشعة سينية)؟ وقد يتساءل المرء ما إذا كانت هذه الجسيمات قد تم اكتشافها بالفعل بواسطة الأقمار الصناعية والتلسكوبات مثل PAMELA و FERMI-LAT و AMS وما إلى ذلك ، أم أنها لن تكتشفها قريبًا؟

فقط إذا وحصلنا على معلومات كافية من المصادم LHC (أو مصادمي المستقبل) لصياغة فرضيات واضحة حول كيفية عمل الجسيمات الجديدة ، والحصول على تنبؤات دقيقة لما يمكن توقعه من التجارب الجديدة ، وفقط عندما تؤكد التجارب الجديدة إذا كان أحد هذه التنبؤات ، فمن الممكن أن نقول بجدية أنه تم اكتشاف المادة المظلمة على المصادم LHC.

هل يمكن أن يحدث هذا ، هل يمكن أن يحدث قريبًا؟ بالطبع. ولكن ، كما ترون ، يجب أن نكون محظوظين عدة مرات متتالية ، لذلك ، على الرغم من أنه لا يوجد شيء مستحيل ، لا يجب أن تتوقع ذلك قريبًا. على الأرجح ، سيستغرق الأمر وقتًا طويلاً ، وربما عقودًا. وإذا كانت المادة المظلمة تتكون من جزيئات لا يمكن إنشاؤها على LHC ، أو لا تتكون من جزيئات على الإطلاق ، أو أنها غير موجودة على الإطلاق - حسنًا ، لن تخبر LHC ذلك. سيكون صامتًا ببساطة حول هذا الأمر. لذلك لا نفقد الأمل ، ينظر العلماء ، لكن الأمر يستحق ممارسة أساليب أخرى لحل الألغاز العظيمة للكون.