Cómo buscan la materia oscura en el Gran Colisionador de Hadrones

La materia oscura es algo más difícil de alcanzar que las llaves perdidas del automóvil, y más misteriosa que el ícono que se quema en el tablero del automóvil. Probablemente existe, y si es así, consiste en la mayor parte de la materia del universo. Puede consistir en partículas, y si es así, y si los científicos tienen suerte, entonces el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) podrá crear algunas de ellas. En cualquier caso, en los experimentos realizados en el LHC, también se pueden buscar dichas partículas (aunque puede ser más fácil encontrar las llaves del automóvil).

En este artículo, trataré de responder preguntas obvias sobre cómo los científicos con el LHC pueden observar los efectos de una nueva partícula indetectable, y cómo pueden obtener evidencia de que esta partícula realmente pertenece a la materia oscura.

Detective: ¿Quiere llamar mi atención sobre algo más?
Sherlock Holmes: En un extraño accidente nocturno con un perro.
Detective: Pero el perro no hizo nada por la noche.
Sherlock Holmes: Eso fue raro.

- A.K. Doyle

¿Cómo pueden los experimentos de LHC detectar lo indetectable?

Los experimentos con el ATLAS LHC y el CMS pueden participar en la búsqueda de materia oscura. Esto no es como buscar claves, porque en los experimentos nadie espera detectar directamente la materia oscura. Pero, después de todo, ¡ninguno de ellos detecta directamente los neutrinos!

Los neutrinos creados muchas veces por segundo en colisiones de protones en el LHC pasan a través de ATLAS y CMS sin tocar nada y sin dejar rastros. A pesar de esto, ATLAS y CMS pueden concluir que se obtuvieron neutrinos, y pueden usar la misma tecnología para la materia oscura. Lo explicaré ahora; Ella es bastante simple. Y luego explicaré algo un poco más complicado: cómo distinguir la materia oscura de los neutrinos.

Nota: cuando escribo "indetectable", me refiero a "indetectable en experimentos LHC". El neutrino no puede detectarse en el LHC, pero puede, con gran dificultad y baja probabilidad, en experimentos completamente diferentes. Los gigantescos contenedores de agua están involucrados en experimentos tan grandes, ¡y en algunos casos logran detectar solo unos pocos neutrinos por mes! Con la materia oscura, las cosas pueden ser similares; Muchos experimentos están diseñados para esto.

El principio básico es la ley de conservación del momento. Es fácil de ilustrar, especialmente si eres lo suficientemente torpe. Tome un vaso de agua y viértalo bien en el piso en la ducha. Como resultado, aparecerán salpicaduras. En la fig. La Figura 1 muestra cómo el agua se dispersa en todas las direcciones y forma un patrón aproximadamente circular en el piso. Es importante que esto suceda en todas las direcciones. Nunca verá agua salpicando solo a la izquierda, no a la derecha. Esto ocurre como resultado de la conservación del momento.


Fig. 1: consecuencias de la conservación del impulso. a) salpicaduras de agua en todas las direcciones. b) el saludo explota en todas las direcciones. c) El avión está volando hacia adelante, ya que sus turbinas conducen el aire hacia atrás. d) cuando se dispara desde una pistola, la bala vuela hacia adelante y la pistola arroja el retroceso. e) una expulsión hacia abajo mueve el cohete hacia arriba.

Puede encontrar muchos ejemplos en los que la ley de conservación del impulso desempeña el papel principal. Los detalles pueden variar, pero el principio básico sigue siendo el mismo.




Fig. 2

En la fig. La Figura 2 muestra un experimento que puedes repetir tú mismo. Infle la pelota, dirija su cuello hacia usted y suéltela. La pelota volará lejos de ti. Por qué Debido a que el aire de la pelota corre hacia ti, incluso puedes sentirlo. Pero tu amigo, al ver esto desde el otro extremo de la habitación, no siente que sale el aire y no lo ve. Pero si conoce la ley de conservación del impulso, puede asumir que el aire debería salir de la pelota hacia usted; esta es la única razón por la que la pelota estacionaria comienza a alejarse de usted cuando la suelta. La capacidad clave de asumir que tienes algo que no ves o descubrirlo de alguna manera es la idea clave del experimento.

La colisión de dos protones en el LHC es como salpicar agua en tu alma, solo el eje vertical se rota a horizontal. La colisión ocurre en el frontal, en un eje, llamémosla "dirección del haz", va de derecha a izquierda en la Fig. 3. Llamaremos a otras dos direcciones, de arriba a abajo y perpendiculares a la imagen: transversal o perpendicular a la dirección del haz.


Fig. 3

Después de la colisión, aparecen y se dispersan docenas de partículas (otros hadrones creados debido a la energía de la colisión), y en su mayoría vuelan en la dirección del haz. No son muy interesantes para nosotros: son difíciles de medir y no responderán preguntas de físicos de interés hoy. También aparecen partículas con un impulso muy pequeño, que tampoco son importantes para nosotros.

Pero a veces algunas partículas vuelan en las direcciones transversales y llevan un gran impulso, estamos hablando de su gran "impulso transversal". Pero la ley de conservación del momento sugiere que, dado que los protones iniciales no tenían un momento transversal, el momento transversal total de todas las partículas debe estar equilibrado. Si una partícula sube, debe haber una o más bajando. Si la partícula vuela hacia ti, debería haber aquellos que vuelan lejos de ti.

Un ejemplo clásico de una colisión se muestra en la fig. 4. La colisión de protones ocurre en el centro del detector ATLAS, que detectó y midió rastros de partículas resultantes de la colisión. Luego, estas pistas fueron dibujadas en una computadora para que los científicos pudieran ver a dónde iban. La mayoría de las partículas se dispersaron a izquierda y derecha, y no se muestran aquí. Las huellas azules indican las trayectorias de las partículas con un impulso muy pequeño. Pero dos pistas amarillas que terminan en puntos amarillos indican partículas con altas energías y momentos. Uno de ellos es un electrón volando hacia arriba. E incluso antes de proceder a otra partícula, ya sabemos por la ley de conservación que al menos una partícula con un gran momento transversal debería volar hacia abajo. Y aquí está: un rastro amarillo debajo, que resultó ser un anti-electrón o un positrón.


Fig. 4 4

Pero en la fig. 5 puede ver otra colisión, del experimento CMS. Un electrón vuela hacia arriba, como en la Fig. 4. Pero ni una sola partícula con un gran momento transversal vuela hacia abajo. Que esta pasando


Fig. 5 5

Lo más probable es que una partícula voló hacia abajo, pero el experimento no pudo detectarla. Porque los científicos saben que:
• CMS no puede detectar neutrinos y antineutrinos,
• Los electrones y los antineutrinos a menudo se forman juntos como resultado de la descomposición de una partícula W,

Será natural suponer que esto es exactamente lo que está sucediendo aquí: el electrón CMS detectado vuela hacia arriba, el antineutrino vuela hacia abajo, que el CMS no pudo detectar.

Por supuesto, surge la pregunta de si el impulso puede no ser preservado. Esto es muy poco probable: solo observe una amplia gama de experimentos realizados durante varias décadas, incluidos los que se llevaron a cabo en ATLAS y CMS, y quedará claro que todo habla a favor de mantener el impulso.

Hasta ahora, todo era esquemático y de nivel cualitativo, pero es importante comprender que los físicos pueden hacer declaraciones cuantitativas precisas sobre la conservación del momento. Por ejemplo: si se sabe que el momento en las direcciones transversales es inicialmente cero antes de la colisión, entonces puede tomar todos los momentos de las direcciones transversales, agregarlos como vectores y esperar que su suma resulte ser cero.

En una colisión de protones, su impulso en las direcciones transversales es cero. Después de una colisión en ATLAS, un experimento mide todas las partículas detectadas. Algunas partículas van en la dirección del haz y no se miden, pero no tienen un momento transversal. Para algunos, el momento transversal es insignificante. Pero para algunos, puede ser genial. Si sumamos los pulsos transversales y su suma es cercana a cero (ninguna medición es perfecta), podemos concluir que ATLAS detectó con éxito todas las partículas. Pero si la suma está lejos de cero, podemos concluir que ATLAS no pudo detectar una o más partículas con un momento transversal. Pueden ser partículas conocidas (neutrinos) o desconocidas, por ejemplo, materia oscura.

Ahora sabe que si aparecen partículas de materia oscura en los experimentos ATLAS o CMS, no se pueden detectar. Pero los experimentadores podrán suponer, en el caso de que la suma de los momentos transversales no sea cero, que se obtuvieron una o más partículas indetectables.

Por supuesto, lo mismo sucede cuando se crean neutrinos en experimentos, y esto sucede muchas veces por segundo. Entonces, ¿cómo puede descubrir el LHC que tiene algo diferente de un neutrino? ¿Y cómo pueden los científicos entender que este nuevo producto es materia oscura?

¿Cómo pueden los experimentos con LHC distinguir la materia oscura de los neutrinos?

En la sección anterior, expliqué cómo los experimentadores de ATLAS o CMS pueden descubrir que en una de las colisiones de protones una o más partículas aparecieron a través de un experimento sin ser detectadas. Pero, ¿cómo pueden descubrir los experimentadores si encuentran algo nuevo y sorprendente, por ejemplo, partículas de materia oscura en lugar de neutrinos comunes que hemos conocido durante muchas décadas? ¿Por qué no simplemente recoger a los sospechosos habituales, en lugar de anunciar que ha aparecido un nuevo criminal en la ciudad?

En pocas palabras, no se puede decir qué tipo de partículas indetectables aparecieron en este experimento en particular. Por lo general, tampoco se sabe cuántas partículas de este tipo han aparecido. En cambio, la información se recopila de una gran cantidad de colisiones. Específicamente, se deduce de una comparación de los datos obtenidos con las predicciones de las ecuaciones utilizadas para describir las partículas y fuerzas conocidas, que se denominan "Modelo estándar". Te daré un ejemplo de cómo funciona esto.

La forma más fácil de imaginar que en una colisión de protones se crearon dos neutrinos, o dos partículas de materia oscura, o dos algunas entidades indetectables. Suponga (Fig. 6) que solo estas dos partículas poseen un momento transversal significativo (recuerde que en las colisiones generalmente se generan muchos hadrones, pero generalmente se dispersan en la dirección del haz, y su momento transversal es pequeño). ¡Entonces no veremos nada! Por ejemplo, una de estas partículas puede subir, la segunda, hacia abajo, con pulsos de la misma magnitud y dirección opuesta, tal como sucedió con el electrón y el positrón en la Fig. 4. Pero si no se detectan ambas partículas, el momento transversal de las partículas detectadas se verá equilibrado, ¡y ni siquiera sabremos que allí nacieron partículas indetectables!


Fig. 6 6

Pero no todo está perdido. Por lo general, en las colisiones de protones al nacer cualquier partícula con un gran momento transversal, también aparecen gluones aleatorios de alta energía. A veces, dicho gluón (o varios gluones) vuela en la dirección transversal, y también recibe un gran impulso transversal. Luego veremos algo como el que se muestra en la fig. 7. Tal evento se llama un "evento de jet único", y hay un jet con un gran momento transversal (aerosoles de hadrones creados por gluón), rebotando de "nada", probablemente de un neutrino y antineutrino no detectado (por descomposición Partículas Z).

Comparar foto 6 y fig. 7: ahora tenemos un chorro con un gran momento transversal del que rebotan dos partículas no detectadas. Como vemos el chorro, concluimos que el momento transversal de las partículas observadas no está equilibrado y que nacieron partículas indetectables de cierto tipo.


Fig. 7 7

En la fig. 8 muestra la misma colisión que en la fig. 7, solo la dirección del haz en él es perpendicular a la imagen.


Fig. 8

Ahora un ejemplo real del monojet observado en el experimento ATLAS. En la figura, la dirección del haz es perpendicular a la imagen.


Fig. 9 9

El experimento ATLAS tiene una estructura bulbosa y está equipado con sensores en varios niveles. El choque ocurrió exactamente en el medio. La sección de seguimiento muestra los caminos de las partículas que forman el chorro. En los departamentos de "calorímetro" (electromagnético y hadrón), la energía de las partículas está marcada por puntos verdes y rojos. Tenga en cuenta que no hay trazas o puntos significativos en ningún otro lugar, lo que implica que el momento transversal total claramente no es igual a cero. Las huellas que conducen hacia arriba y hacia la izquierda tienen muy poco momento lateral y se acercan demasiado a la dirección de la viga. Los científicos creen que en este caso, muy probablemente, se obtuvieron gluón, neutrino y antineutrino. Pero, de hecho, uno no puede estar seguro de qué partículas se obtuvieron en esta colisión.

El modelo estándar permite con bastante buena precisión predecir en qué porcentaje de colisiones de protones se observará una cierta escasez del momento transversal. Esto se muestra en la fig. 10. La parte superior de la porción azul indica la predicción del modelo estándar para la frecuencia con la que aparecerán neutrinos con al menos un chorro (que consta de varios componentes indicados por diferentes colores; el azul es el mayor efecto debido a las partículas Z que generan pares de neutrinos / antineutrino: los datos están marcados con puntos negros y los errores son verticales.


Fig. 10. Datos de CMS (puntos negros) y predicciones del modelo estándar (áreas coloreadas). En el eje vertical: el número de eventos en los que existe una cierta falta de impulso transversal; en el eje horizontal - el impulso perdido E _T ^miss . Observe qué tan bien coinciden los datos con las predicciones. La línea roja, el efecto que dejarían los gravitones, desapareciendo en dimensiones adicionales, obviamente no está confirmada. Tenga en cuenta que el gráfico es logarítmico.

Se confirmaría una línea roja discontinua en presencia de gravitones que desaparecen en dimensiones adicionales . Los datos obviamente coinciden con el modelo estándar y excluyen la presencia de gravitones. Además, los datos no concuerdan (aunque no son tan obvios) con la posible aparición de partículas de materia oscura (partículas con cierta masa y fuerza de interacción), indicadas por una línea azul continua. Si aparecieran tales partículas, entonces los últimos 2-3 puntos serían mucho más altos.

En este ejemplo, puede ver cuán fríamente se usan las ecuaciones del Modelo estándar para predecir partículas conocidas. Nos permiten determinar con qué frecuencia deberíamos esperar que un chorro rebote de "nada", es decir, de neutrinos indetectables. Esta predicción coincidirá con los datos si otros tipos de partículas indetectables no aparecen en colisiones en el LHC. Y esperamos que las predicciones no se cumplan solo si aparecen nuevos tipos de partículas indetectables en el LHC y / o aparecen neutrinos de una manera que no conocemos, por ejemplo, como resultado de la descomposición de un nuevo tipo de partícula inestable.

Esta es una estrategia de experimento común. Tenemos muchas predicciones, muchas dimensiones mediante las cuales verificamos la distribución del momento transversal faltante en grandes grupos de colisiones similares. Si descubrimos que las predicciones no se cumplen, entonces sucede algo que no se explica en el modelo estándar, es decir, aparecen partículas indetectables desconocidas o conocidas (neutrinos) pero no de la manera que esperamos.

Tal descubrimiento mostraría que el Modelo Estándar claramente no describe toda la física en el LHC, y traería muchas recompensas a los experimentadores. ¡Pero su interpretación sería extremadamente ambigua! Incluso si recibiéramos partículas de materia oscura, ¡sería completamente obvio! Solo sabríamos que en cierto proceso, inesperadamente, a menudo nacen partículas indetectables. La transición de ellos a partículas de materia oscura sería lógicamente irrazonable.

¿Cómo pueden los científicos distinguir entre diferentes posibilidades y finalmente llegar a la conclusión sobre el descubrimiento de la materia oscura? No será fácil y puede llevar muchos años, o incluso décadas.

Dos ejemplos más

Pero primero, déjame darte dos ejemplos más de cómo la materia oscura u otras partículas indetectables podrían manifestarse. El bosón de Higgs recientemente descubierto a veces puede descomponerse en materia oscura o en algo indetectable. Tal llamado Las descomposiciones invisibles de Higgs en el modelo estándar son extremadamente raras, por lo que si resulta que suceden con frecuencia, ¡este sería un descubrimiento sorprendente! Y tales decaimientos ya se están buscando. La desintegración invisible de Higgs no se puede observar directamente, pero los Higgs a menudo están compuestos de partículas W, partículas Z o ciertos pares de quarks (que emiten chorros específicos relativamente cerca del haz, ver Fig. 11). Y ya se pueden observar, así como una escasez del momento transversal del Higgs, que se descompone en partículas indetectables. Pero, como de costumbre, tal señal también se puede encontrar en el Modelo Estándar, cuando la partícula Z se descompone en neutrinos en lugar de Higgs en materia oscura. Se pueden distinguir solo contando el número de colisiones de este tipo y comprobando cuánto excede este número las predicciones del Modelo Estándar.


Fig. 11. Una partícula de Higgs (H) puede surgir junto con dos quarks de alta energía, cada uno de los cuales genera un chorro de alta energía (dispersión de hadrones). Tales chorros inusuales rebotan en Higgs, cuya descomposición en partículas indetectables puede dar lugar a la aparición de una gran escasez del momento transversal. Pero la misma señal puede surgir cuando se produce una partícula Z como resultado de una colisión, que se descompone en neutrinos y antineutrinos.

Otro ejemplo: en muchas variantes de la física de partículas consideradas por los científicos, incluidas, entre otras, la supersimetría, las ecuaciones predicen la presencia de una nueva partícula cargada eléctricamente capaz de descomponerse en materia oscura. En este caso, como resultado de la colisión de protones, la aparición de un electrón (o muón) y un anti-electrón (o antimuón) y dos partículas de materia oscura, que permanecen sin ser detectadas y dan el momento transversal faltante, no se puede llamar inusual (Fig. 12).


Fig. 12

El único problema es que las partículas bien conocidas pueden dejar esa imagen. Cuando una partícula W cargada positivamente y su antipartícula (partícula W cargada negativamente) nacen en colisiones, estas partículas pueden descomponerse en algo que se ve exactamente como la fig. 12, solo en lugar de dos partículas de materia oscura generarán neutrinos y antineutrinos. La única forma de detectar la materia oscura es hacer cálculos. Si se crean nuevas partículas además de W, entonces el número de colisiones de este tipo será mayor de lo esperado. Es interesante que en los datos actuales del LHC haya más colisiones de lo esperado, no tanto como para estar muy contento con esto, sino lo suficiente como para monitorear cuidadosamente cómo el LHC recopila una gran cantidad de datos.

Estos son solo tres de los muchos ejemplos. Hay incluso más ideas sobre qué puede ser la materia oscura que expertos en materia oscura, y en cada caso hay muchas opciones sobre cómo se puede crear materia oscura en el LHC. Por lo tanto, los experimentadores no están seguros de cómo buscarlo en los experimentos, y están preparando un programa de búsquedas muy amplio y variado para no perderse nada.

Incluso si se encuentran nuevas partículas indetectables en el LHC, ¿serán realmente partículas de materia oscura?

¿Cómo pueden los experimentos en el LHC probar que han recibido materia oscura? De ninguna manera Al menos por su cuenta. Incluso si obtienen un nuevo tipo de partículas indetectables, deberán cooperar con al menos un experimento que pueda verificar si realmente resultó materia oscura (la sustancia en la que el Universo es rico). La información simple sobre la existencia de cierto tipo de partículas no prueba que sean estas partículas en el Universo las más importantes. Puede, como los neutrinos, constituir una pequeña parte de la materia del Universo. O ninguno en absoluto: si las nuevas partículas son inestables (como sucede con la mayoría de las partículas) y vivirán lo suficiente como para volar desapercibidas fuera de los sensores del LHC antes de descomponerse, pero lo suficientemente pequeñas como para desaparecer del Universo poco después del Big Bang .

En resumen: incluso si se detecta una nueva clase de partículas no detectadas por los sensores en el LHC, los experimentadores no podrán determinar cuántas de estas partículas hay hoy en el Universo. TANK no está destinado a esto.

Que hacer El LHC se puede usar para determinar algunas propiedades de nuevas partículas y hacer ciertas suposiciones. Por ejemplo, en la sección anterior di tres ejemplos de cómo descubrir partículas indetectables. En cada caso, las partículas se obtuvieron de cierta manera. Por ejemplo, si solo se generaron estas partículas, luego de la colisión se obtuvo un solo chorro (Fig. 8). Si las partículas nacieron de la descomposición de Higgs, se obtuvieron dos chorros de alta energía de dos quarks específicos (Fig. 11). Si se generaron durante la descomposición de una nueva partícula cargada (Fig. 12), esto ocurrió en presencia de un leptón cargado y un antileptón cargado (un leptón cargado es un electrón, muón o tau). Entonces, observando lo que acompaña a las nuevas partículas y profundizando en los detalles de los momentos transversales faltantes,Los científicos, en principio, pueden formular hipótesis sobre la naturaleza de estas nuevas partículas. Se pueden expresar a través de ecuaciones que se pueden usar para hacer predicciones.

Y ahora estamos casi allí. Si tiene una hipótesis sobre qué es una nueva partícula, puede preguntarse: ¿cómo se comportaría la materia oscura si consistiera en partículas de este tipo?

Por ejemplo, uno podría preguntarse ¿qué tan raramente reaccionarían tales partículas con la materia ordinaria? ¿Cuánta energía quedaría después de las interacciones? Sabiendo cuánta materia oscura hay en el Universo, uno puede predecir con qué frecuencia los experimentos subterráneos como LUX, XENON100, CDMS, etc. recibiría señales de este tipo de materia oscura. ¿Quizás esta cantidad es tan grande que la hipótesis ya ha sido refutada? ¿O es tan pequeño que aún no han recibido tales señales, pero lo suficientemente grande como para recibirlas en el futuro previsible?

Otra pregunta: ¿qué sucede si estas partículas de materia oscura se encuentran en algún lugar en el centro de nuestra galaxia o en el centro de las galaxias enanas cercanas? ¿Pueden aniquilar y producir partículas visibles, como electrones, antielectrones, antiprotones, fotones (posiblemente en forma de radiación gamma o rayos X)? Y uno puede preguntarse si estas partículas ya han sido detectadas por satélites y telescopios como PAMELA, FERMI-LAT, AMS, etc., o si no las detectarán pronto.

Solo si y cuando obtenemos suficiente información del LHC (o colisionadores del futuro) para formular hipótesis claras sobre cómo pueden comportarse las nuevas partículas, y para obtener predicciones precisas de lo que se puede esperar de nuevos experimentos, y solo cuando los nuevos experimentos confirman Si una de estas predicciones, sería posible decir seriamente que se descubrió materia oscura en el LHC.

¿Podría suceder esto, puede suceder pronto? Por supuesto Pero, como puede ver, para esto deberíamos tener suerte varias veces seguidas, por lo que, aunque no hay nada imposible, no debe esperar esto muy pronto. Lo más probable es que lleve bastante tiempo, quizás décadas. Y si la materia oscura consiste en partículas que no se pueden crear en el LHC, o no consiste en partículas, o no existe en absoluto, bueno, el LHC no nos lo dirá. Él simplemente guardará silencio sobre esto. Así que no perdemos la esperanza, los científicos están buscando, pero vale la pena practicar otros enfoques para resolver los grandes misterios del universo.