Wie sie am Large Hadron Collider nach dunkler Materie suchen

Dunkle Materie ist schwer fassbarer als verlorene Autoschlüssel und mysteriöser als das Symbol, das auf dem Armaturenbrett brennt. Es existiert wahrscheinlich und wenn ja, besteht es aus dem größten Teil der Materie des Universums. Es kann aus Partikeln bestehen, und wenn ja, und wenn Wissenschaftler Glück haben, kann der Large Hadron Collider (LHC) einige davon erzeugen. In jedem Fall kann man in Experimenten, die am LHC durchgeführt wurden, auch nach solchen Partikeln suchen (obwohl es möglicherweise einfacher ist, die Schlüssel für das Auto zu finden).

In diesem Artikel werde ich versuchen, offensichtliche Fragen zu beantworten, wie Wissenschaftler mit dem LHC die Auswirkungen eines neuen nicht nachweisbaren Partikels beobachten können und wie sie Beweise dafür erhalten können, dass dieses Partikel wirklich zur dunklen Materie gehört.

Detective: Wollen Sie mich auf etwas anderes aufmerksam machen?
Sherlock Holmes: Bei einem seltsamen Nachtunfall mit einem Hund.
Detective: Aber der Hund hat nachts nichts getan.
Sherlock Holmes: Das war komisch.

- A. K. Doyle

Wie können LHC-Experimente das Nicht-Nachweisbare erkennen?

Experimente mit ATLAS LHC und CMS können tatsächlich an der Suche nach dunkler Materie teilnehmen. Dies ist nicht vergleichbar mit der Suche nach Schlüsseln, da in Experimenten niemand hofft, dunkle Materie direkt zu erkennen. Aber keiner von ihnen erkennt Neutrinos direkt!

Die Neutrinos, die bei Protonenkollisionen auf dem LHC viele Male pro Sekunde erzeugt wurden, passieren ATLAS und CMS, ohne etwas zu berühren und keine Spuren zu hinterlassen. Trotzdem können ATLAS und CMS zu dem Schluss kommen, dass Neutrinos erhalten wurden - und sie können dieselbe Technologie für dunkle Materie verwenden. Ich werde es jetzt erklären; Sie ist ganz einfach. Und dann werde ich eine etwas kompliziertere Sache erklären - wie man dunkle Materie von Neutrinos unterscheidet.

Hinweis: Wenn ich "nicht nachweisbar" schreibe, meine ich "in LHC-Experimenten nicht nachweisbar". Neutrino kann am LHC nicht nachgewiesen werden, kann aber - mit großer Schwierigkeit und geringer Wahrscheinlichkeit - in völlig anderen Experimenten nachgewiesen werden. Gigantische Wasserbehälter sind an solch großen Experimenten beteiligt, und in einigen Fällen können sie nur wenige Neutrinos pro Monat nachweisen! Mit dunkler Materie können die Dinge ähnlich sein; Viele Experimente sind dafür ausgelegt.

Das Grundprinzip ist das Gesetz der Impulserhaltung. Es ist leicht zu veranschaulichen, besonders wenn Sie ungeschickt genug sind. Nehmen Sie ein Glas Wasser und gießen Sie es in der Dusche scharf auf den Boden. Infolgedessen werden Spritzer angezeigt. In Abb. Abbildung 1 zeigt, wie Wasser in alle Richtungen streut und auf dem Boden ein ungefähr kreisförmiges Muster bildet. Es ist wichtig, dass dies in alle Richtungen geschieht. Sie werden niemals Wasser sehen, das nur nach links und nicht nach rechts spritzt. Dies geschieht aufgrund der Impulserhaltung.


Abb. 1: Folgen der Impulserhaltung. a) Wasser spritzt in alle Richtungen. b) Der Gruß explodiert in alle Richtungen. c) Das Flugzeug fliegt vorwärts, während seine Turbinen Luft rückwärts treiben. d) Wenn die Kugel von einer Pistole abgefeuert wird, fliegt sie vorwärts und die Pistole wirft den Rückstoß zurück. e) Ein Auswurf nach unten bewegt die Rakete nach oben.

Sie können sich viele Beispiele einfallen lassen, bei denen das Gesetz der Impulserhaltung die Hauptrolle spielt. Details können variieren, aber das Grundprinzip bleibt das gleiche.




Abb. 2

In Abb. Abbildung 2 zeigt ein Experiment, das Sie selbst wiederholen können. Blasen Sie den Ball auf, richten Sie den Hals auf Sie und lassen Sie ihn los. Der Ball wird von dir wegfliegen. Warum? Weil die Luft vom Ball auf Sie zuströmt - Sie können es sogar fühlen. Aber Ihr Freund, der dies vom anderen Ende des Raumes aus beobachtet, spürt nicht, wie die Luft herauskommt und sieht sie nicht. Wenn er jedoch das Gesetz der Impulserhaltung kennt, kann er davon ausgehen, dass die Luft aus dem Ball auf Sie zukommen sollte - dies ist der einzige Grund, warum sich der stationäre Ball von Ihnen wegbewegt, wenn Sie ihn loslassen. Die Fähigkeit anzunehmen, dass Sie etwas haben, das Sie nicht sehen, oder es in irgendeiner Weise zu entdecken, ist die Schlüsselidee des Experiments.

Die Kollision zweier Protonen auf dem LHC ist wie Spritzwasser in Ihrer Seele, nur die vertikale Achse wird in die horizontale gedreht. Die Kollision tritt frontal auf einer Achse auf - nennen wir es die "Richtung des Strahls", sie verläuft in Abb. 1 von rechts nach links. 3. Wir nennen zwei andere Richtungen, von oben nach unten und senkrecht zum Bild - quer oder senkrecht zur Richtung des Strahls.


Abb. 3

Nach der Kollision erscheinen Dutzende von Partikeln (andere Hadronen, die aufgrund der Kollisionsenergie erzeugt wurden) und streuen, und sie fliegen meist in Richtung des Strahls. Sie sind für uns nicht sehr interessant - sie sind schwer zu messen und sie werden heute keine Fragen von interessierenden Physikern beantworten. Es erscheinen auch Teilchen mit einem sehr kleinen Impuls, die für uns ebenfalls nicht wichtig sind.

Aber manchmal fliegen einige Teilchen in Querrichtung weg und tragen einen großen Impuls - wir sprechen von ihrem großen "Querimpuls". Das Gesetz der Impulserhaltung legt jedoch nahe, dass der gesamte Querimpuls aller Teilchen ausgeglichen werden muss, da die anfänglichen Protonen keinen Querimpuls hatten. Wenn ein Teilchen nach oben geht, müssen ein oder mehrere andere Teilchen nach unten gehen. Wenn das Teilchen auf Sie zufliegt, sollte es solche geben, die von Ihnen wegfliegen.

Ein klassisches Beispiel für eine Kollision ist in Abb. 1 dargestellt. 4. In der Mitte des ATLAS-Detektors tritt eine Protonenkollision auf, die Spuren von Partikeln erkennt und misst, die aus der Kollision resultieren. Dann wurden diese Spuren auf einem Computer gezeichnet, damit Wissenschaftler sehen konnten, wohin sie gingen. Die meisten Partikel sind nach links und rechts verstreut und werden hier nicht angezeigt. Blaue Spuren zeigen die Flugbahnen von Partikeln mit einem sehr kleinen Impuls an. Zwei gelbe Spuren, die in gelben Flecken enden, zeigen jedoch Teilchen mit hohen Energien und Impulsen an. Eines davon ist ein hochfliegendes Elektron. Und noch bevor wir zu einem anderen Teilchen übergehen, wissen wir bereits aus dem Erhaltungsgesetz, dass mindestens ein Teilchen mit einem großen Querimpuls nach unten fliegen sollte. Und hier ist es - eine gelbe Spur unten, die sich als Anti-Elektron oder Positron herausstellte.


Abb. 4

Aber in Abb. 5 Sie können eine weitere Kollision sehen - aus dem CMS-Experiment. Darin fliegt ein Elektron nach oben, wie in Abb. 4. Aber kein einziges Teilchen mit einem großen Querimpuls fliegt nach unten. Was ist los?


Abb. 5

Höchstwahrscheinlich flog ein Partikel nach unten, aber das Experiment konnte es nicht erkennen. Weil Wissenschaftler wissen, dass:
• CMS kann keine Neutrinos und Antineutrinos nachweisen.
• Elektronen und Antineutrinos bilden sich häufig zusammen, wenn ein W-Teilchen zerfällt.

Es ist natürlich anzunehmen, dass genau dies hier geschieht: Das detektierte CMS-Elektron fliegt nach oben, das Antineutrino fliegt nach unten, was das CMS nicht detektieren konnte.

Natürlich stellt sich die Frage, ob der Impuls nicht erhalten bleiben kann. Dies ist sehr unwahrscheinlich - sehen Sie sich nur eine Vielzahl von Experimenten an, die über mehrere Jahrzehnte durchgeführt wurden, einschließlich derer, die mit ATLAS und CMS durchgeführt wurden, und es wird klar, dass alles für die Aufrechterhaltung der Dynamik spricht.

Bisher war alles schematisch und auf qualitativer Ebene, aber es ist wichtig zu verstehen, dass Physiker genaue quantitative Aussagen über die Erhaltung des Impulses treffen können. Beispiel: Wenn bekannt ist, dass der Impuls in den Querrichtungen vor der Kollision anfänglich Null ist, können Sie alle Momente aus den Querrichtungen nehmen, sie als Vektoren hinzufügen und erwarten, dass sich ihre Summe als Null herausstellt.

Bei einer Protonenkollision ist ihr Impuls in Querrichtung Null. Nach einer Kollision in ATLAS misst ein Experiment alle detektierten Partikel. Einige Teilchen gehen in Richtung des Strahls und werden nicht gemessen - aber sie haben keinen Querimpuls. Für einige ist der Querimpuls vernachlässigbar. Aber für manche kann es großartig sein. Wenn wir die Transversalimpulse addieren und ihre Summe nahe Null ist (keine Messung ist perfekt), können wir schließen, dass ATLAS alle Partikel erfolgreich erfasst hat. Wenn die Summe jedoch weit von Null entfernt ist, können wir schließen, dass ATLAS ein oder mehrere Teilchen mit einem Transversalimpuls nicht erfassen konnte. Es können bekannte Teilchen - Neutrinos - oder unbekannte, zum Beispiel dunkle Materie sein.

Jetzt wissen Sie, dass Partikel der dunklen Materie, die in den ATLAS- oder CMS-Experimenten auftreten, nicht nachgewiesen werden können. Experimentatoren können jedoch annehmen, dass in dem Fall, in dem die Summe der Transversalimpulse ungleich Null ist, ein oder mehrere nicht nachweisbare Partikel erhalten wurden.

Das gleiche passiert natürlich, wenn in Experimenten Neutrinos erzeugt werden - und das oft pro Sekunde. Wie kann der LHC also herausfinden, dass er etwas anderes als ein Neutrino hat? Und wie können Wissenschaftler verstehen, dass dieses neue Produkt dunkle Materie ist?

Wie können LHC-Experimente dunkle Materie von Neutrinos unterscheiden?

Im vorherigen Abschnitt habe ich erklärt, wie ATLAS- oder CMS-Experimentatoren herausfinden können, dass bei einer der Protonenkollisionen ein oder mehrere Partikel durch ein Experiment entstanden sind, ohne dass sie nachgewiesen wurden. Aber wie können Experimentatoren herausfinden, ob sie etwas Neues und Überraschendes gefunden haben, zum Beispiel Partikel dunkler Materie anstelle gewöhnlicher Neutrinos, die wir seit vielen Jahrzehnten kennen? Warum nicht einfach die üblichen Verdächtigen sammeln, anstatt anzukündigen, dass ein neuer Verbrecher in der Stadt aufgetaucht ist?

Einfach ausgedrückt kann man nicht sagen, welche Art von nicht nachweisbaren Partikeln in diesem speziellen Experiment aufgetreten sind. Es ist normalerweise auch nicht bekannt, wie viele solcher Partikel aufgetreten sind. Stattdessen werden Informationen aus einer großen Anzahl von Kollisionen gesammelt. Insbesondere folgt aus einem Vergleich der erhaltenen Daten mit den Vorhersagen der Gleichungen, die zur Beschreibung bekannter Teilchen und Kräfte verwendet werden, die als "Standardmodell" bezeichnet werden. Ich werde Ihnen ein Beispiel geben, wie dies funktioniert.

Der einfachste Weg, sich vorzustellen, dass bei einer Protonenkollision zwei Neutrinos oder zwei Teilchen dunkler Materie oder zwei nicht nachweisbare Einheiten erzeugt wurden. Nehmen Sie an (Abb. 6), dass nur diese beiden Teilchen einen signifikanten Querimpuls besitzen (denken Sie daran, dass bei Kollisionen normalerweise viele Hadronen erzeugt werden, diese jedoch normalerweise in Richtung des Strahls streuen und ihr Querimpuls gering ist). Dann werden wir nichts sehen! Zum Beispiel kann eines dieser Teilchen mit Impulsen gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung nach oben und das zweite nach unten gehen - genau wie beim Elektron und Positron in Abb. 4. Wenn jedoch nicht beide Partikel erkannt werden, sieht das Quermoment der erkannten Partikel ausgeglichen aus, und wir wissen nicht einmal, dass dort nicht nachweisbare Partikel geboren wurden!


Abb. 6

Aber nicht alles ist verloren. Normalerweise treten bei Protonenkollisionen bei der Geburt von Partikeln mit einem großen Querimpuls auch zufällige hochenergetische Gluonen auf. Manchmal fliegt ein solches Gluon (oder mehrere Gluonen) in Querrichtung und erhält auch einen großen Querimpuls. Dann sehen wir so etwas wie das in Abb. 7. Ein solches Ereignis wird als "Mono-Jet-Ereignis" bezeichnet, und es gibt einen Jet mit einem großen Querimpuls (durch Gluon erzeugte Hadronensprays), der von "nichts" abprallt, wahrscheinlich von einem unentdeckten Neutrino und Anti-Neutrino (vom Zerfall) Z-Teilchen).

Vergleiche Bild. 6 und Abb. 7: Jetzt haben wir einen Strahl mit einem großen Querimpuls, von dem zwei unentdeckte Teilchen abprallen. Da wir den Strahl sehen, schließen wir, dass der Querimpuls der beobachteten Partikel nicht ausgeglichen ist und nicht nachweisbare Partikel eines bestimmten Typs geboren wurden.


Abb. 7

In Abb. Fig. 8 zeigt die gleiche Kollision wie in Fig. In 7 ist nur die Richtung des Strahls darauf senkrecht zum Bild.


Abb. 8

Nun ein echtes Beispiel für den im ATLAS-Experiment beobachteten Monojet. In der Figur ist die Strahlrichtung senkrecht zum Bild.


Abb. 9

Das ATLAS-Experiment hat eine bauchige Struktur und ist auf mehreren Ebenen mit Sensoren ausgestattet. Der Zusammenstoß ereignete sich genau in der Mitte. Der Tracker-Abschnitt zeigt die Pfade der Partikel, aus denen der Jet besteht. In den Abteilungen "Kalorimeter" (elektromagnetische und Hadronen) ist die Teilchenenergie durch grüne und rote Flecken gekennzeichnet. Bitte beachten Sie, dass es nirgendwo anders signifikante Spuren oder Flecken gibt, was bedeutet, dass der gesamte Transversalimpuls eindeutig nicht gleich Null ist. Spuren, die nach oben und links führen, haben zu wenig seitliches Moment und gehen zu nahe an die Richtung des Strahls heran. Wissenschaftler glauben, dass in diesem Fall höchstwahrscheinlich Gluon, Neutrino und Antineutrino erhalten wurden. Tatsächlich kann man jedoch nicht sicher sein, welche Partikel bei dieser Kollision erhalten wurden.

Das Standardmodell ermöglicht es mit ziemlich guter Genauigkeit vorherzusagen, in welchem ​​Prozentsatz von Protonenkollisionen ein gewisser Mangel des Transversalimpulses beobachtet wird. Dies ist in Abb. 2 dargestellt. 10. Der obere Teil des blauen Teils gibt die Vorhersage des Standardmodells für die Häufigkeit an, mit der Neutrinos mit mindestens einem Strahl (bestehend aus mehreren Komponenten, die durch unterschiedliche Farben angezeigt werden, auftreten; Blau ist der größte Effekt, da Z-Partikel Neutrinopaare erzeugen / antineutrino: Daten sind mit schwarzen Punkten markiert und Fehler sind vertikal.


Abb. 10. Daten von CMS (schwarze Punkte) und Vorhersagen des Standardmodells (farbige Bereiche). Auf der vertikalen Achse - die Anzahl der Ereignisse, bei denen ein gewisser Mangel an Querimpuls vorliegt; auf der horizontalen Achse - der fehlende Impuls E _T ^verfehlt . Beachten Sie, wie gut die Daten mit den Vorhersagen übereinstimmen. Die rote Linie - der Effekt, den Gravitonen hinterlassen und in zusätzlichen Dimensionen verschwinden würden - wird offensichtlich nicht bestätigt. Bitte beachten Sie, dass das Diagramm logarithmisch ist.

Eine gestrichelte rote Linie würde bestätigt, wenn Gravitonen in zusätzlichen Dimensionen verschwinden. Die Daten stimmen offensichtlich mit dem Standardmodell überein und schließen das Vorhandensein von Gravitonen aus. Außerdem stimmen die Daten nicht mit dem möglichen Auftreten von Partikeln der dunklen Materie (Partikel mit einer bestimmten Masse und Wechselwirkungskraft) überein (obwohl dies nicht so offensichtlich ist), was durch eine durchgezogene blaue Linie angezeigt wird. Wenn solche Partikel auftreten würden, wären die letzten 2-3 Punkte viel höher.

In diesem Beispiel können Sie sehen, wie kühl die Gleichungen des Standardmodells verwendet werden, um bekannte Partikel vorherzusagen. Sie ermöglichen es uns zu bestimmen, wie oft wir erwarten sollten, dass ein Jet von „nichts“, dh von nicht nachweisbaren Neutrinos, abprallt. Diese Vorhersage stimmt mit den Daten überein, wenn andere Arten von nicht nachweisbaren Partikeln bei Kollisionen auf dem LHC nicht auftreten. Und wir erwarten, dass die Vorhersagen nicht nur dann wahr werden, wenn neue Arten von nicht nachweisbaren Partikeln auf dem LHC und / oder Neutrinos auf eine Weise auftreten, die uns nicht bekannt ist - beispielsweise als Folge des Zerfalls eines neuen Typs instabiler Partikel.

Dies ist eine gängige Experimentierstrategie. Wir haben viele Vorhersagen, viele Dimensionen, anhand derer wir die Verteilung des fehlenden Transversalimpulses in großen Gruppen ähnlicher Kollisionen überprüfen. Wenn wir feststellen, dass die Vorhersagen nicht erfüllt sind, passiert etwas, das nicht durch das Standardmodell erklärt wird, dh entweder unbekannte nicht nachweisbare Partikel erscheinen oder bekannte (Neutrinos), aber nicht so, wie wir es erwarten.

Eine solche Entdeckung würde zeigen, dass das Standardmodell eindeutig nicht die gesamte Physik im LHC beschreibt und den Experimentatoren viele Belohnungen bringen würde. Aber seine Interpretation wäre äußerst zweideutig! Selbst wenn wir Teilchen dunkler Materie erhalten würden, wäre dies völlig offensichtlich! Wir würden nur wissen, dass in einem bestimmten Prozess unerwartet oft nicht nachweisbare Partikel entstehen. Der Übergang von ihnen zu Partikeln dunkler Materie wäre logischerweise unvernünftig.

Wie können Wissenschaftler zwischen verschiedenen Möglichkeiten unterscheiden und schließlich zu dem Schluss kommen, dass dunkle Materie entdeckt wurde? Es wird nicht einfach sein und kann viele Jahre oder sogar Jahrzehnte dauern.

Zwei weitere Beispiele

Aber zuerst möchte ich Ihnen zwei weitere Beispiele geben, wie sich dunkle Materie oder andere nicht nachweisbare Teilchen manifestieren können. Das kürzlich entdeckte Higgs-Boson kann manchmal in dunkle Materie oder in etwas nicht nachweisbares zerfallen. Solche sogenannten Higgs 'unsichtbare "Zerfälle im Standardmodell sind äußerst selten. Wenn sich herausstellen würde, dass sie häufig vorkommen, wäre dies eine erstaunliche Entdeckung! Und solche Zerfälle werden bereits gesucht. Der unsichtbare Higgs-Zerfall kann nicht direkt beobachtet werden, aber die Higgs bestehen häufig aus W-Partikeln, Z-Partikeln oder bestimmten Quarkpaaren (wobei bestimmte Strahlen relativ nahe am Strahl abgegeben werden - siehe Abb. 11). Und sie sind bereits zu beobachten, ebenso wie ein Mangel des Transversalimpulses von den Higgs, der in nicht nachweisbare Teilchen zerfällt. Wie üblich findet sich ein solches Signal aber auch im Standardmodell - wenn das Z-Teilchen in Neutrinos zerfällt, anstatt dass Higgs in dunkle Materie zerfällt. Sie können nur unterschieden werden, indem die Anzahl der Kollisionen dieses Typs gezählt und überprüft wird, um wie viel diese Anzahl die Vorhersagen des Standardmodells überschreitet.


Abb. 11. Das Higgs-Teilchen (H) kann zusammen mit zwei energiereichen Quarks entstehen, von denen jeder einen energiereichen Strahl (Streu-Hadronen) erzeugt. Solche ungewöhnlichen Jets prallen von Higgs ab, deren Zerfall in nicht nachweisbare Teilchen zum Auftreten eines großen Mangels an Transversalimpuls führen kann. Das gleiche Signal kann jedoch auftreten, wenn infolge einer Kollision ein Z-Teilchen entsteht, das in Neutrinos und Antineutrinos zerfällt.

Ein weiteres Beispiel: In vielen Varianten der Teilchenphysik, die von Wissenschaftlern in Betracht gezogen werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Supersymmetrie, sagen Gleichungen das Vorhandensein eines neuen elektrisch geladenen Teilchens voraus, das in dunkle Materie zerfallen kann. In diesem Fall kann das Auftreten eines Elektrons (oder Myons) und eines Anti-Elektrons (oder Antimuons) sowie zweier Teilchen der Dunklen Materie, die unentdeckt bleiben und das fehlende Quermoment ergeben, infolge der Kollision von Protonen nicht als ungewöhnlich bezeichnet werden (Abb. 12).


Abb. 12

Das einzige Problem ist, dass bekannte Partikel ein solches Bild hinterlassen können. Wenn ein positiv geladenes W-Teilchen und sein Antiteilchen (negativ geladenes W-Teilchen) in Kollisionen geboren werden, können diese Teilchen in etwas zerfallen, das genau wie in Abb. 1 aussieht. 12, nur anstelle von zwei Partikeln dunkler Materie erzeugen sie Neutrinos und Antineutrinos. Die einzige Möglichkeit, dunkle Materie zu erkennen, besteht in Berechnungen. Wenn zusätzlich zu W neue Partikel erzeugt werden, ist die Anzahl der Kollisionen dieses Typs größer als erwartet. Es ist interessant, dass es in den aktuellen Daten des LHC nur mehr Kollisionen als erwartet gibt - nicht so sehr, dass man sich darüber sehr freut, aber genug, um sorgfältig zu überwachen, wie der LHC eine große Datenmenge sammelt.

Dies sind nur drei der vielen Beispiele. Es gibt noch mehr Ideen darüber, was dunkle Materie sein kann, als es Experten für dunkle Materie gibt, und in jedem Fall gibt es viele Möglichkeiten, wie dunkle Materie auf dem LHC erzeugt werden kann. Daher sind sich die Experimentatoren nicht sicher, wie sie in den Experimenten danach suchen sollen - und sie bereiten ein sehr breites und abwechslungsreiches Suchprogramm vor, um nichts zu verpassen.

Selbst wenn neue nicht nachweisbare Partikel auf dem LHC gefunden werden, handelt es sich dann wirklich um Partikel der dunklen Materie?

Wie können Experimente am LHC beweisen, dass sie dunkle Materie erhalten haben? Auf keinen Fall. Zumindest alleine. Selbst wenn sie eine neue Art von nicht nachweisbaren Partikeln erhalten, müssen sie mit mindestens einem Experiment zusammenarbeiten, das überprüfen kann, ob sich wirklich dunkle Materie herausgestellt hat (die Substanz, an der das Universum reich ist). Einfache Informationen über die Existenz eines bestimmten Partikeltyps beweisen nicht, dass es diese Partikel im Universum sind, die am meisten sind. Es kann wie Neutrinos einen kleinen Teil der Materie des Universums ausmachen. Oder gar keine - wenn die neuen Partikel instabil sind (wie es bei den meisten Partikeln der Fall ist) und sie lange genug leben, um unbemerkt außerhalb der LHC-Sensoren zu fliegen, bevor sie zerfallen, aber klein genug, um kurz nach dem Urknall aus dem Universum zu verschwinden .

Kurz gesagt: Selbst wenn eine neue Klasse von Partikeln, die nicht von Sensoren erfasst werden, auf dem LHC erkannt wird, können Experimentatoren nicht feststellen, wie viele dieser Partikel sich heute im Universum befinden. TANK ist dafür nicht vorgesehen.

Was tun? LHC kann verwendet werden, um einige Eigenschaften neuer Partikel zu bestimmen und bestimmte Annahmen zu treffen. Zum Beispiel habe ich im vorherigen Abschnitt drei Beispiele gegeben, wie man nicht nachweisbare Partikel entdeckt. In jedem Fall wurden die Partikel auf eine bestimmte Weise erhalten. Wenn zum Beispiel nur diese Partikel erzeugt wurden, wurde nach der Kollision ein einzelner Strahl erhalten (Fig. 8). Wenn Partikel aus dem Higgs-Zerfall geboren wurden, wurden zwei Hochenergiestrahlen aus zwei spezifischen Quarks erhalten (Abb. 11). Wenn sie während des Zerfalls eines neuen geladenen Teilchens erzeugt wurden (Abb. 12), geschah dies in Gegenwart eines geladenen Leptons und eines geladenen Antileptons (ein geladenes Lepton ist ein Elektron, Myon oder Tau). Beobachten Sie also, was mit neuen Partikeln einhergeht, und vertiefen Sie sich in die Details der fehlenden Querimpulse.Wissenschaftler können im Prinzip die Natur dieser neuen Partikel annehmen. Sie können durch Gleichungen ausgedrückt werden, mit denen Vorhersagen getroffen werden können.

Und jetzt sind wir fast da. Wenn Sie eine Hypothese darüber haben, was ein neues Teilchen ist, können Sie sich fragen: Wie würde sich dunkle Materie verhalten, wenn sie aus Teilchen dieses Typs bestehen würde?

Zum Beispiel könnte man sich fragen, wie selten solche Partikel mit gewöhnlicher Materie reagieren würden. Wie viel Energie würde nach Wechselwirkungen verbleiben? Wenn man weiß, wie viel dunkle Materie sich im Universum befindet, kann man vorhersagen, wie oft unterirdische Experimente wie LUX, XENON100, CDMS usw. durchgeführt werden. würde Signale dieser Art von dunkler Materie empfangen. Vielleicht ist dieser Betrag so groß, dass die Hypothese bereits widerlegt wurde? Oder ist es so klein, dass sie solche Signale noch nicht empfangen haben, aber groß genug, um sie in absehbarer Zukunft zu empfangen?

Eine andere Frage: Was passiert, wenn sich diese Teilchen der dunklen Materie irgendwo im Zentrum unserer Galaxie oder in den Zentren nahegelegener Zwerggalaxien treffen? Können sie sichtbare Teilchen wie Elektronen, Antielektronen, Antiprotonen, Photonen (möglicherweise in Form von Gammastrahlung oder Röntgenstrahlung) vernichten und produzieren? Und man könnte sich fragen, ob diese Partikel bereits von Satelliten und Teleskopen wie PAMELA, FERMI-LAT, AMS usw. erkannt wurden oder ob sie sie nicht bald erkennen werden?

Nur wenn wir genug Informationen vom LHC (oder den Kollidern der Zukunft) erhalten, um klare Hypothesen darüber zu formulieren, wie sich neue Partikel verhalten können, und um genaue Vorhersagen darüber zu erhalten, was von neuen Experimenten erwartet werden kann, und nur dann, wenn neue Experimente dies bestätigen Wenn eine dieser Vorhersagen getroffen würde, könnte man ernsthaft sagen, dass dunkle Materie auf dem LHC entdeckt wurde.

Könnte das passieren, kann es bald passieren? Natürlich.Aber wie Sie sehen, sollten wir dafür mehrmals hintereinander Glück haben. Obwohl es nichts Unmögliches gibt, sollten Sie dies nicht sehr bald erwarten. Höchstwahrscheinlich wird es ziemlich lange dauern, vielleicht Jahrzehnte. Und wenn dunkle Materie aus Partikeln besteht, die auf dem LHC nicht erzeugt werden können oder überhaupt nicht aus Partikeln bestehen oder überhaupt nicht existieren - nun, der LHC wird uns das nicht sagen. Er wird einfach darüber schweigen. Wir verlieren also nicht die Hoffnung, Wissenschaftler suchen, aber es lohnt sich, andere Ansätze zur Lösung der großen Geheimnisse des Universums zu üben.