वे बड़े हैड्रॉन कोलाइडर में काले पदार्थ की खोज कैसे करते हैं

डार्क मैटर खोई हुई कार की चाबियों से कहीं अधिक मायावी है, और कार के डैशबोर्ड पर जलने वाले आइकन की तुलना में अधिक रहस्यमय है। यह शायद मौजूद है, और यदि ऐसा है, तो यह ब्रह्मांड के अधिकांश मामलों में शामिल है। इसमें कण शामिल हो सकते हैं, और यदि ऐसा है, और यदि वैज्ञानिक भाग्यशाली हैं, तो लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (एलएचसी) उनमें से कुछ बनाने में सक्षम होगा। किसी भी मामले में, एलएचसी पर किए गए प्रयोगों में, कोई भी ऐसे कणों की खोज कर सकता है (हालांकि कार की चाबियाँ खोजना आसान हो सकता है)।

इस लेख में, मैं स्पष्ट सवालों के जवाब देने की कोशिश करूंगा कि कैसे एलएचसी के साथ वैज्ञानिक एक नए अवांछनीय कण के प्रभाव का निरीक्षण कर सकते हैं, और वे इस बात का सबूत कैसे प्राप्त कर सकते हैं कि यह कण वास्तव में काले पदार्थ से संबंधित है।

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- ए.के. डोयल

LHC प्रयोगों से अनिर्वचनीय का पता कैसे लगाया जा सकता है?

एटलस एलएचसी और सीएमएस पर प्रयोग वास्तव में अंधेरे पदार्थ की खोज में भाग ले सकते हैं। यह चाबियों की खोज करने जैसा नहीं है, क्योंकि प्रयोगों में कोई भी सीधे अंधेरे पदार्थ का पता लगाने की उम्मीद नहीं करता है। लेकिन आखिरकार, उनमें से कोई भी सीधे न्यूट्रिनो का पता नहीं लगाता है!

न्यूट्रिनों ने एलएचसी पर एएलएलएएस और सीएमएस के माध्यम से कुछ भी छूने और कोई निशान छोड़ने के बिना प्रोटॉन टकराव में प्रति सेकंड कई बार बनाया। इसके बावजूद, एटलस और सीएमएस यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि न्यूट्रिनो प्राप्त हुए थे - और वे अंधेरे पदार्थ के लिए एक ही तकनीक का उपयोग कर सकते हैं। मैं अब इसे समझाऊंगा; वह काफी सरल है। और फिर मैं एक और अधिक जटिल बात समझाऊंगा - न्यूट्रिनो से अंधेरे पदार्थ को कैसे अलग किया जाए।

नोट: जब मैं "undetectable" लिखता हूं, मेरा मतलब है "LHC प्रयोगों में undetectable"। न्यूट्रिनो को एलएचसी पर पता नहीं लगाया जा सकता है, लेकिन यह पूरी तरह से अलग प्रयोगों में - बड़ी कठिनाई और कम संभावना के साथ हो सकता है। विशाल पानी के कंटेनर ऐसे विशाल प्रयोगों में शामिल होते हैं, और कुछ मामलों में वे प्रति माह केवल कुछ न्यूट्रिनो का पता लगाने का प्रबंधन करते हैं! काले पदार्थ के साथ, चीजें समान हो सकती हैं; इसके लिए कई प्रयोग किए गए हैं।

मूल सिद्धांत संवेग संरक्षण का नियम है। यह स्पष्ट करना आसान है, खासकर यदि आप अनाड़ी हैं। एक गिलास पानी लें, और इसे शॉवर में फर्श पर सीधे नीचे डालें। नतीजतन, स्पलैश दिखाई देंगे। अंजीर में। चित्र 1 दिखाता है कि कैसे पानी सभी दिशाओं में बिखरता है और फर्श पर लगभग एक गोलाकार पैटर्न बनाता है। यह महत्वपूर्ण है कि यह सभी दिशाओं में होता है। आप पानी को केवल बायीं तरफ नहीं देखेंगे, दायें से नहीं। यह संवेग के संरक्षण के परिणामस्वरूप होता है।


अंजीर। 1: संवेग के संरक्षण के परिणाम। a) सभी दिशाओं में पानी के छींटे। b) सलामी सभी दिशाओं में फटती है। c) विमान आगे की ओर उड़ रहा है, क्योंकि इसकी टर्बाइन हवा को पीछे की ओर ले जाती है। d) जब पिस्टल से फायर किया जाता है, तो गोली आगे की ओर उड़ जाती है, और पिस्टल पीछे हट जाती है। ई) एक इजेक्शन रॉकेट को ऊपर ले जाता है।

आप कई उदाहरणों के साथ आ सकते हैं जिनमें मुख्य भूमिका संवेग संरक्षण के नियम द्वारा निभाई जाती है। विवरण भिन्न हो सकते हैं, लेकिन मूल सिद्धांत समान रहता है।




अंजीर। 2

अंजीर में। चित्र 2 एक प्रयोग दिखाता है जिसे आप स्वयं दोहरा सकते हैं। गेंद को फुलाएं, अपनी गर्दन को आप की ओर निर्देशित करें और छोड़ें। गेंद आप से दूर उड़ जाएगा। क्यों? क्योंकि गेंद से हवा आपकी ओर बढ़ती है - आप इसे महसूस भी कर सकते हैं। लेकिन आपका दोस्त, कमरे के दूसरे छोर से यह देख रहा है, हवा को बाहर आने का एहसास नहीं है और इसे नहीं देखता है। लेकिन अगर वह संवेग के संरक्षण के नियम को जानता है, तो वह मान सकता है कि हवा को आपकी ओर गेंद से बाहर निकलना चाहिए - यह एकमात्र कारण है कि जब आप इसे छोड़ते हैं तो स्थिर गेंद आपसे दूर जाने लगती है। यह मानने की क्षमता कि आपके पास कुछ ऐसा है जिसे आप किसी भी तरह से नहीं देख पाते हैं या खोज नहीं पाते हैं, यह प्रयोग का मुख्य विचार है।

एलएचसी पर दो प्रोटॉन की टक्कर आपकी आत्मा में पानी के छींटे की तरह होती है, केवल ऊर्ध्वाधर अक्ष क्षैतिज में घुमाया जाता है। टकराव ललाट में होता है, एक अक्ष पर - चलो इसे "बीम की दिशा" कहते हैं, यह अंजीर में दाएं से बाएं तरफ जाता है। 3. हम दो अन्य दिशाओं को कॉल करेंगे, ऊपर से नीचे और लंबवत छवि तक - बीम की दिशा में अनुप्रस्थ, या लंबवत।


अंजीर। 3

टक्कर के बाद, दर्जनों कण (टक्कर की ऊर्जा के कारण बनाए गए अन्य हैड्रॉन) दिखाई देते हैं और बिखरे रहते हैं, और वे ज्यादातर किरण की दिशा में उड़ते हैं। वे हमारे लिए बहुत दिलचस्प नहीं हैं - उन्हें मापना मुश्किल है, और वे आज ब्याज के भौतिकविदों के सवालों का जवाब नहीं देंगे। बहुत कम गति वाले कण भी दिखाई देते हैं, जो हमारे लिए महत्वपूर्ण नहीं हैं।

लेकिन कभी-कभी कुछ कण अनुप्रस्थ दिशाओं में उड़ जाते हैं और एक बड़ी गति ले जाते हैं - हम उनके बड़े "अनुप्रस्थ गति" के बारे में बात कर रहे हैं। लेकिन गति के संरक्षण के नियम से पता चलता है कि चूंकि प्रारंभिक प्रोटॉन में अनुप्रस्थ गति नहीं थी, इसलिए सभी कणों की कुल अनुप्रस्थ गति संतुलित होनी चाहिए। यदि एक कण ऊपर जाता है, तो एक या एक से अधिक लोगों को नीचे जाना चाहिए। यदि कण आपकी ओर उड़ते हैं, तो ऐसे होने चाहिए जो आपसे दूर उड़ते हों।

टकराव का एक क्लासिक उदाहरण अंजीर में दिखाया गया है। 4. प्रोटॉन का टकराव एटलस डिटेक्टर के केंद्र में होता है, जो टकराव के परिणामस्वरूप होने वाले कणों का पता लगाता है और मापा जाता है। फिर इन पटरियों को एक कंप्यूटर पर खींचा गया ताकि वैज्ञानिक देख सकें कि वे कहाँ गए थे। अधिकांश कण बाएं और दाएं बिखरे हुए हैं, और उन्हें यहां नहीं दिखाया गया है। नीले निशान बहुत छोटे गति वाले कणों के प्रक्षेपवक्र का संकेत देते हैं। लेकिन पीले धब्बों में समाप्त होने वाले दो पीले ट्रैक उच्च ऊर्जा और क्षण के साथ कणों का संकेत देते हैं। उनमें से एक ऊपर उड़ने वाला एक इलेक्ट्रॉन है। और इससे पहले कि हम एक और कण के लिए आगे बढ़ें, हम पहले से ही संरक्षण कानून से जानते हैं कि बड़े अनुप्रस्थ गति वाले कम से कम एक कण को ​​नीचे उड़ना चाहिए। और यहां यह है - नीचे एक पीले रंग का निशान, जो एक विरोधी इलेक्ट्रॉन, या एक पॉज़िट्रॉन निकला।


अंजीर। 4

लेकिन अंजीर में। 5 आप एक और टक्कर देख सकते हैं - सीएमएस प्रयोग से। एक इलेक्ट्रॉन इसमें ऊपर की ओर उड़ता है, जैसे कि अंजीर में। 4. लेकिन एक बड़ा अनुप्रस्थ गति वाला एक कण नीचे नहीं उड़ता है। क्या चल रहा है?


अंजीर। 5

सबसे अधिक संभावना है, एक कण नीचे उड़ गया, लेकिन प्रयोग इसे पता नहीं लगा सका। क्योंकि वैज्ञानिकों को पता है कि:
• CMS न्यूट्रिनो और एंटीन्यूट्रिनो का पता नहीं लगा सकता,
• W और कण के क्षय के परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉन और एंटीन्यूट्रिनो अक्सर एक साथ बनते हैं,

यह मान लेना स्वाभाविक होगा कि यह वही है जो यहां हो रहा है: पता चला सीएमएस इलेक्ट्रॉन ऊपर उड़ता है, एंटीन्यूट्रीनो नीचे उड़ता है, जिसे सीएमएस का पता नहीं चल सका।

बेशक, यह सवाल उठता है कि क्या आवेग को संरक्षित नहीं किया जा सकता है। यह बहुत संभावना नहीं है - बस कई दशकों में किए गए प्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला को देखें, जिनमें एटीएलएएस और सीएमएस पर किए गए थे, और यह स्पष्ट हो जाएगा कि सब कुछ गति बनाए रखने के पक्ष में बोलता है।

अब तक, सब कुछ योजनाबद्ध और गुणात्मक स्तर पर था, लेकिन यह समझना महत्वपूर्ण है कि भौतिक विज्ञानी गति के संरक्षण के बारे में सटीक मात्रात्मक बयान कर सकते हैं। उदाहरण के लिए: यदि यह ज्ञात है कि अनुप्रस्थ दिशाओं में गति शुरू में टक्कर से पहले शून्य है, तो आप अनुप्रस्थ दिशाओं से सभी क्षणों को ले सकते हैं, उन्हें वैक्टर के रूप में जोड़ सकते हैं, और उनकी राशि शून्य होने की उम्मीद कर सकते हैं।

एक प्रोटॉन टक्कर में, अनुप्रस्थ दिशाओं में उनकी गति शून्य है। ATLAS में टक्कर के बाद, एक प्रयोग सभी ज्ञात कणों को मापता है। कुछ कण बीम की दिशा में जाते हैं, और उन्हें मापा नहीं जाता है - लेकिन उनके पास अनुप्रस्थ गति नहीं होती है। कुछ के लिए, अनुप्रस्थ गति नगण्य है। लेकिन कुछ के लिए, यह बहुत अच्छा हो सकता है। यदि हम अनुप्रस्थ दालों को जोड़ते हैं और उनकी राशि शून्य के करीब है (कोई माप सही नहीं है), तो हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि एटलस ने सभी कणों का सफलतापूर्वक पता लगाया। लेकिन अगर राशि शून्य से दूर है, तो हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि एटलस एक अनुप्रस्थ गति के साथ एक या अधिक कणों का पता नहीं लगा सका। यह ज्ञात कण हो सकता है - न्यूट्रिनो - या अज्ञात, उदाहरण के लिए, डार्क मैटर।

अब आप जानते हैं कि यदि ATLAS या CMS प्रयोगों में डार्क मैटर के कण दिखाई देते हैं, तो उनका पता नहीं लगाया जा सकता है। लेकिन प्रयोग करने वाले यह मान सकेंगे कि जब अनुप्रस्थ संवेग का योग गैर-बीता होता है, तो एक या अधिक अनिष्टकारी कण प्राप्त होते हैं।

बेशक, एक ही बात तब होती है जब न्यूट्रिनो को प्रयोगों में बनाया जाता है - और यह प्रति सेकंड कई बार होता है। तो एलएचसी कैसे पता लगा सकता है कि उसे न्यूट्रिनो से कुछ अलग मिला है? और वैज्ञानिक कैसे समझ सकते हैं कि यह नया उत्पाद डार्क मैटर है?

LHC प्रयोग न्युट्रीनो से काले पदार्थ को कैसे अलग कर सकते हैं?

पिछले अनुभाग में, मैंने बताया कि कैसे एटलस या सीएमएस प्रयोगकर्ता यह पता लगा सकते हैं कि प्रोटॉन टक्करों में एक या एक से अधिक कण बिना किसी प्रयोग के प्रकट हुए। लेकिन प्रयोग करने वाले यह कैसे पता लगा सकते हैं कि उन्हें कुछ नया और आश्चर्यजनक लगा, उदाहरण के लिए, सामान्य न्यूट्रिनो के बजाय डार्क मैटर के कण जिन्हें हम कई दशकों से जानते हैं? शहर में एक नया अपराधी दिखाई देने की घोषणा करने के बजाय, केवल सामान्य संदिग्धों को क्यों नहीं इकट्ठा किया?

सीधे शब्दों में कहें, तो कोई यह नहीं कह सकता है कि इस विशेष प्रयोग में किस प्रकार के अवांछनीय कण दिखाई दिए। यह भी आमतौर पर ज्ञात नहीं है कि ऐसे कितने कण दिखाई दिए हैं। इसके बजाय, बड़ी संख्या में टकराव से जानकारी एकत्र की जाती है। विशेष रूप से, यह ज्ञात कणों और बलों का वर्णन करने के लिए उपयोग किए गए समीकरणों की भविष्यवाणियों के साथ प्राप्त आंकड़ों की तुलना से अनुसरण करता है, जिन्हें "मानक मॉडल" कहा जाता है। मैं आपको एक उदाहरण दूंगा कि यह कैसे काम करता है।

कल्पना करने का सबसे आसान तरीका है कि प्रोटॉन की एक टक्कर में दो न्यूट्रिनो, या काले पदार्थ के दो कण, या दो कुछ undetectable निकाय बनाए गए थे। मान लें (अंजीर। 6) कि केवल इन दो कणों में एक महत्वपूर्ण अनुप्रस्थ गति होती है (याद रखें कि टक्करों में आमतौर पर कई हैड्रोन उत्पन्न होते हैं, लेकिन वे आमतौर पर बीम की दिशा में बिखर जाते हैं, और उनकी अनुप्रस्थ गति छोटी होती है)। तब हम कुछ नहीं देखेंगे! उदाहरण के लिए, इन कणों में से एक ऊपर जा सकता है, दूसरा - नीचे, उसी परिमाण के दालों के साथ और दिशा में विपरीत - ठीक उसी तरह जैसे कि अंजीर में इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन के साथ था। 4. लेकिन यदि दोनों कणों का पता नहीं लगा है, तो पता लगाए गए कणों का अनुप्रस्थ क्षण संतुलित दिखेगा, और हमें यह भी पता नहीं है कि अवांछनीय कण वहां पैदा हुए थे!


अंजीर। 6

लेकिन सब कुछ खो नहीं जाता है। आमतौर पर एक बड़े अनुप्रस्थ गति के साथ किसी भी कण के जन्म के प्रोटॉन टक्करों में, यादृच्छिक उच्च-ऊर्जा ग्लून्स भी दिखाई देते हैं। कभी-कभी ऐसे ग्लूऑन (या कई ग्लून्स) अनुप्रस्थ दिशा में उड़ते हैं, जो एक बड़े अनुप्रस्थ गति को भी प्राप्त करते हैं। फिर हम अंजीर में दिखाए गए जैसे कुछ देखेंगे। 7. इस तरह की घटना को "मोनो-जेट इवेंट" कहा जाता है, और एक बड़े अनुप्रस्थ गति (ग्ल्रोन द्वारा बनाई गई हैड्रोन स्प्रे) के साथ एक जेट होता है, "कुछ भी नहीं" से रिकोशीटिंग, संभवतः एक undet न्यूट्रिनो और एंटी-न्यूट्रिनो से (क्षय से) जेड-कण)।

तस्वीर की तुलना करें। 6 और अंजीर। 7: अब हमारे पास एक बड़ा अनुप्रस्थ संवेग है जिसमें से दो अनपेक्षित कण रिकोषेट हैं। चूंकि हम जेट को देखते हैं, इसलिए हम निष्कर्ष निकालते हैं कि देखे गए कणों की अनुप्रस्थ गति संतुलित नहीं है, और एक निश्चित प्रकार के undetectable कण पैदा हुए थे।


अंजीर। 7

अंजीर में। 8 अंजीर के रूप में एक ही टक्कर दिखाता है। 7, केवल उस पर बीम की दिशा छवि के लिए लंबवत है।


अंजीर। 8

अब ATLAS प्रयोग में देखे गए मोनोजेट का एक वास्तविक उदाहरण है। चित्रा में, बीम की दिशा छवि के लंबवत है।


अंजीर। 9

एटलस प्रयोग में एक बल्बनुमा संरचना है और यह कई स्तरों पर सेंसर से लैस है। टकराव ठीक बीच में हुआ। ट्रैकर अनुभाग उन कणों के मार्ग दिखाता है जो जेट बनाते हैं। "कैलोरीमीटर" (इलेक्ट्रोमैग्नेटिक और हैड्रॉन) विभागों में, कण ऊर्जा हरे और लाल धब्बों द्वारा चिह्नित होती है। कृपया ध्यान दें कि कहीं भी कोई महत्वपूर्ण निशान या धब्बे नहीं हैं, जिसका अर्थ है कि कुल अनुप्रस्थ गति स्पष्ट रूप से शून्य के बराबर नहीं है। आगे और बाईं ओर जाने वाले निशान में बहुत कम पार्श्व पल होते हैं, और वे बीम की दिशा के बहुत करीब जाते हैं। वैज्ञानिकों का मानना ​​है कि इस मामले में, सबसे अधिक संभावना, ग्लोन, न्यूट्रिनो और एंटीन्यूट्रिनो प्राप्त किए गए थे। लेकिन वास्तव में, कोई यह सुनिश्चित नहीं कर सकता है कि इस टक्कर में कौन से कण प्राप्त हुए थे।

मानक मॉडल काफी अच्छी सटीकता के साथ भविष्यवाणी करने की अनुमति देता है कि कितने प्रतिशत प्रोटॉन टक्करों में अनुप्रस्थ गति की एक निश्चित कमी देखी जाएगी। यह अंजीर में दिखाया गया है। 10. नीले हिस्से का ऊपरी भाग उस आवृत्ति के लिए मानक मॉडल की भविष्यवाणी को इंगित करता है जिस पर कम से कम एक जेट के साथ न्यूट्रिनो (अलग-अलग रंगों से संकेतित कई घटकों से मिलकर) दिखाई देगा; ज़ेड कणों द्वारा न्यूट्रिनो जोड़े पैदा करने के कारण नीला सबसे बड़ा प्रभाव है। / एंटीन्यूट्रिनो: डेटा को काले डॉट्स के साथ चिह्नित किया गया है, और त्रुटियां लंबवत हैं।


अंजीर। 10. सीएमएस (काले डॉट्स) और मानक मॉडल (रंगीन क्षेत्रों) की भविष्यवाणी। ऊर्ध्वाधर अक्ष पर - घटनाओं की संख्या जिसमें अनुप्रस्थ गति की एक निश्चित कमी है; क्षैतिज अक्ष पर - लापता आवेग ई _टी ^मिस । ध्यान दें कि डेटा पूर्वानुमानों से कितनी अच्छी तरह मेल खाता है। लाल रेखा - जो प्रभाव गुरुत्वाकर्षण को छोड़ देगा, अतिरिक्त आयामों में गायब हो जाएगा - स्पष्ट रूप से पुष्टि नहीं की गई है। कृपया ध्यान दें कि ग्राफ लघुगणक है।

अतिरिक्त आयामों में गायब होने वाले गुरुत्वाकर्षण की उपस्थिति में एक धराशायी लाल रेखा की पुष्टि की जाएगी। डेटा स्पष्ट रूप से मानक मॉडल के साथ मेल खाता है और गुरुत्वाकर्षण की उपस्थिति को बाहर करता है। इसके अलावा, डेटा अंधेरे पदार्थ कणों (एक निश्चित द्रव्यमान और बातचीत बल वाले कण) की संभावित उपस्थिति के साथ सहमत नहीं है (हालांकि इतना स्पष्ट नहीं है), एक ठोस नीली रेखा द्वारा इंगित किया गया है। यदि ऐसे कण दिखाई देते हैं, तो अंतिम 2-3 बिंदु बहुत अधिक होंगे।

इस उदाहरण में, आप देख सकते हैं कि ज्ञात कणों की भविष्यवाणी करने के लिए मानक मॉडल के समीकरणों का कितना ठंडा उपयोग किया जाता है। वे हमें यह निर्धारित करने की अनुमति देते हैं कि हमें कितनी बार "कुछ भी नहीं" से जेटकोच करने की उम्मीद करनी चाहिए, जो कि अवांछनीय न्यूट्रोस से है। यह भविष्यवाणी डेटा के साथ मेल खाएगी यदि अन्य प्रकार के अवांछनीय कण एलएचसी पर टकराव में दिखाई नहीं देते हैं। और हम उम्मीद करते हैं कि भविष्यवाणियां केवल तभी सच नहीं होंगी जब एलएचसी पर नए प्रकार के अवांछनीय कण दिखाई देंगे और / या न्यूट्रिनो उस तरह से दिखाई देंगे जो हमें ज्ञात नहीं है - उदाहरण के लिए, एक नए प्रकार के अस्थिर कण के क्षय के परिणामस्वरूप।

यह एक सामान्य प्रयोग रणनीति है। हमारे पास कई पूर्वानुमान हैं, कई आयाम हैं जिनके द्वारा हम समान टकरावों के बड़े समूहों में लापता अनुप्रस्थ गति के वितरण की जांच करते हैं। यदि हम पाते हैं कि भविष्यवाणियाँ पूरी नहीं हुई हैं, तो कुछ ऐसा होता है जो मानक मॉडल द्वारा समझाया नहीं जाता है, अर्थात, या तो अज्ञात अवांछनीय कण दिखाई देते हैं, या ज्ञात (न्यूट्रिनो) लेकिन उस तरीके से नहीं जिस तरह से हम उम्मीद करते हैं।

ऐसी खोज से पता चलता है कि मानक मॉडल स्पष्ट रूप से एलएचसी में सभी भौतिकी का वर्णन नहीं करता है, और प्रयोग करने वालों के लिए कई पुरस्कार लाएगा। लेकिन उनकी व्याख्या बेहद अस्पष्ट होगी! यहां तक ​​कि अगर हमें अंधेरे पदार्थ के कण मिले, तो यह पूरी तरह से स्पष्ट नहीं होगा! हम केवल यह जानते हैं कि एक निश्चित प्रक्रिया में अप्रत्याशित रूप से अक्सर अवांछनीय कण पैदा होते हैं। डार्क मैटर के कणों से उनका संक्रमण तार्किक रूप से अनुचित होगा।

वैज्ञानिक विभिन्न संभावनाओं के बीच अंतर कैसे कर सकते हैं और अंत में अंधेरे पदार्थ की खोज के बारे में निष्कर्ष पर आ सकते हैं? यह आसान नहीं होगा और इसमें कई साल या कई दशक लग सकते हैं।

दो और उदाहरण

लेकिन पहले, मैं आपको दो उदाहरण देता हूं कि अंधेरे पदार्थ या अन्य अवांछनीय कण खुद को कैसे प्रकट कर सकते हैं। हाल ही में खोजा गया हिग्स बोसोन कभी-कभी अंधेरे पदार्थ या कुछ अनिर्वचनीय में क्षय कर सकता है। ऐसे तथाकथित मानक मॉडल में हिग्स का अदृश्य "डिकेज अत्यंत दुर्लभ है, इसलिए यदि यह पता चला कि वे अक्सर होते हैं, तो यह एक अद्भुत खोज होगी! और इस तरह के फरमान पहले ही मांगे जा रहे हैं। अदृश्य हिग्स क्षय को सीधे नहीं देखा जा सकता है, लेकिन हिग्स अक्सर डब्ल्यू कणों, जेड कणों या क्वार्कों के कुछ जोड़े से बने होते हैं (बीम के अपेक्षाकृत करीब जेट्स को देखते हुए - चित्र 11 देखें)। और वे पहले से ही देखे जा सकते हैं, साथ ही हिग्स से अनुप्रस्थ गति की कमी है, जो कि अवांछनीय कणों में बदल जाता है। लेकिन, हमेशा की तरह, इस तरह के एक संकेत को मानक मॉडल में भी पाया जा सकता है - जब ज़ी-कण न्युट्रीनो में हिग्स के बजाय डार्क मैटर में बदल जाता है।उन्हें केवल इस प्रकार के टकरावों की संख्या की गणना करके और इस संख्या को मानक मॉडल की भविष्यवाणियों से अधिक की जाँच करके ही पहचाना जा सकता है।


अंजीर। 11. हिग्स कण (H) एक साथ दो उच्च-ऊर्जा क्वार्क के साथ उत्पन्न हो सकता है, जिनमें से प्रत्येक एक उच्च-ऊर्जा जेट (बिखरने वाले हैड्रॉन) उत्पन्न करता है। हिग्स से ऐसे असामान्य जेट रिकोषेट, जिनके अविभाज्य कणों में क्षय होने से अनुप्रस्थ गति की बड़ी कमी हो सकती है। लेकिन एक ही संकेत तब उत्पन्न हो सकता है जब एक टक्कर के परिणामस्वरूप एक जेड-कण उत्पन्न होता है, जो न्यूट्रीनो और एंटीन्यूट्रिनो में बदल जाता है।

एक और उदाहरण: वैज्ञानिकों द्वारा माने जाने वाले कण भौतिकी के कई रूपों में, लेकिन सुपरसिमेट्री तक सीमित नहीं, समीकरण एक नए विद्युत आवेशित कण की उपस्थिति की भविष्यवाणी करते हैं जो अंधेरे पदार्थ में क्षय करने में सक्षम है। इस मामले में, प्रोटॉन की टक्कर के परिणामस्वरूप, एक इलेक्ट्रॉन (या म्यूऑन) की उपस्थिति और एक एंटी-इलेक्ट्रॉन (या एंटीम्यूऑन) और दो डार्क मैटर कण होते हैं, जो अनिर्धारित रहते हैं और लापता अनुप्रस्थ क्षण देते हैं, असामान्य नहीं कहा जा सकता (छवि 12)।


अंजीर। 12

एकमात्र समस्या यह है कि प्रसिद्ध कण ऐसी तस्वीर छोड़ सकते हैं। जब एक धनात्मक आवेशित W- कण और उसके प्रतिपदार्थ (नकारात्मक रूप से आवेशित W- कण) टकराव में पैदा होते हैं, तो ये कण किसी ऐसी चीज में क्षय कर सकते हैं जो बिल्कुल अंजीर जैसी दिखती है। 12, केवल काले पदार्थ के दो कणों के बजाय वे न्यूट्रिनो और एंटीन्यूट्रिनो उत्पन्न करेंगे। काले पदार्थ का पता लगाने का एकमात्र तरीका गणना करना है। यदि डब्ल्यू के अलावा नए कण बनाए जाते हैं, तो इस प्रकार के टकराव की संख्या अपेक्षा से अधिक होगी। यह दिलचस्प है कि एलएचसी के वर्तमान आंकड़ों में अपेक्षा से अधिक टक्कर हैं - इस बारे में बहुत खुश होने के लिए नहीं, बल्कि सावधानीपूर्वक निगरानी करने के लिए पर्याप्त है कि एलएचसी बड़ी मात्रा में डेटा कैसे एकत्र करता है।

ये कई उदाहरणों में से सिर्फ तीन हैं। इस बात पर और भी विचार हैं कि डार्क मैटर की तुलना में डार्क मैटर क्या हो सकता है, और प्रत्येक मामले में LHC पर डार्क मैटर कैसे बनाया जा सकता है, इसके कई विकल्प हैं। इसलिए, प्रयोगों को यह सुनिश्चित नहीं है कि प्रयोगों में इसकी तलाश कैसे की जाए - और वे कुछ भी याद न करने के लिए खोजों का एक बहुत व्यापक और विविध कार्यक्रम तैयार कर रहे हैं।

यहां तक ​​कि अगर LHC पर नए undetectable कण पाए जाते हैं, तो क्या यह वास्तव में काले पदार्थ के कण होंगे?

एलएचसी पर प्रयोग कैसे साबित कर सकते हैं कि उन्हें डार्क मैटर मिला है? कोई रास्ता नहीं। कम से कम अपने दम पर। यहां तक ​​कि अगर उन्हें एक नए प्रकार के undetectable कण मिलते हैं, तो भी उन्हें कम से कम एक प्रयोग के साथ सहयोग करना होगा जो यह सत्यापित कर सके कि क्या यह वास्तव में डार्क मैटर (जिस पदार्थ से ब्रह्मांड समृद्ध है)। एक निश्चित प्रकार के कणों के अस्तित्व के बारे में सरल जानकारी यह साबित नहीं करती है कि यह ब्रह्मांड में ये कण हैं जो सबसे अधिक हैं। यह न्यूट्रिनों की तरह, ब्रह्मांड के मामले का एक छोटा सा हिस्सा बना सकता है। या फिर कुछ भी नहीं - अगर नए कण अस्थिर हैं (जैसा कि अधिकांश कणों के साथ होता है), और वे लंबे समय तक जीवित रहेंगे, जो कि क्षय होने से पहले एलएचसी सेंसर के बाहर किसी का ध्यान नहीं है, लेकिन बिग बैंग के तुरंत बाद यूनिवर्स से गायब होने के लिए काफी छोटा है ।

संक्षेप में: भले ही सेंसर द्वारा कणों की एक नई श्रेणी का पता एलएचसी पर नहीं लगाया गया है, लेकिन प्रयोगकर्ता यह निर्धारित नहीं कर पाएंगे कि ब्रह्मांड में आज इनमें से कितने कण हैं। इसके लिए TANK का इरादा नहीं है।

क्या करें? एलएचसी का उपयोग नए कणों के कुछ गुणों को निर्धारित करने और कुछ मान्यताओं को बनाने के लिए किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, पिछले अनुभाग में मैंने तीन उदाहरण दिए कि कैसे अनिष्ट कणों की खोज की जाए। प्रत्येक मामले में, कणों को एक निश्चित तरीके से प्राप्त किया गया था। उदाहरण के लिए, यदि केवल ये कण उत्पन्न हुए थे, तो टक्कर के बाद एक एकल जेट प्राप्त किया गया था (छवि 8)। यदि कण हिग्स क्षय से पैदा हुए थे, तो दो विशिष्ट क्वार्क से दो उच्च-ऊर्जा जेट प्राप्त किए गए थे (चित्र 11)। यदि वे एक नए आवेशित कण (चित्र 12) के क्षय के दौरान उत्पन्न हुए थे, तो यह एक आवेशित लिप्टन और एक आवेशित प्रतिपदार्थ (एक आवेशित लिप्टन एक इलेक्ट्रॉन, म्यूऑन या ताऊ) की उपस्थिति में होता है। इसलिए, यह देखते हुए कि नए कणों के साथ क्या होता है, और गायब हुए अनुप्रस्थ क्षण के विवरण में तल्लीनता,सिद्धांत रूप में वैज्ञानिक इन नए कणों की प्रकृति की परिकल्पना कर सकते हैं। उन्हें समीकरणों के माध्यम से व्यक्त किया जा सकता है जिनका उपयोग पूर्वानुमान बनाने के लिए किया जा सकता है।

और अब हम लगभग वहां हैं। यदि आपके पास एक नया कण है, तो आप स्वयं से पूछ सकते हैं - यदि इस प्रकार के कणों से मिलकर बना होता है, तो अंधेरे पदार्थ कैसे व्यवहार करेंगे?

उदाहरण के लिए, कोई यह पूछ सकता है कि ऐसे कण साधारण पदार्थ के साथ कितनी कम प्रतिक्रिया करते हैं? इंटरैक्शन के बाद कितनी ऊर्जा रहेगी? ब्रह्मांड में कितना गहरा मामला है, यह जानने के बाद, कोई यह अनुमान लगा सकता है कि LUX, XENON100, CDMS, आदि जैसे भूमिगत प्रयोग कितनी बार किए जाते हैं। इस प्रकार के काले पदार्थ के संकेत प्राप्त होंगे। शायद यह राशि इतनी बड़ी है कि परिकल्पना पहले ही मना कर दी गई है? या यह इतना छोटा है कि उन्हें अभी तक इस तरह के संकेत नहीं मिले हैं, लेकिन भविष्य में उन्हें प्राप्त करने के लिए पर्याप्त बड़े हैं?

एक और सवाल: अगर ये डार्क मैटर कण हमारी आकाशगंगा के केंद्र में या पास के बौने आकाशगंगाओं के केंद्रों में मिलते हैं तो क्या होगा? क्या वे इलेक्ट्रॉनों, एंटीलेरोन, एंटीप्रोटोन, फोटॉन (संभवतः गामा विकिरण या एक्स-रे के रूप में) जैसे दृश्य कणों का विनाश और उत्पादन कर सकते हैं? और किसी को आश्चर्य हो सकता है कि क्या इन कणों को पहले ही सैटेलाइट और टेलिस्कोप जैसे PAMELA, FERMI-LAT, AMS, इत्यादि द्वारा पता लगाया जा चुका है, या क्या वे जल्द ही इनका पता नहीं लगा पाएंगे?

तभी और जब हमें LHC (या भविष्य के कोलाइडर) से पर्याप्त जानकारी मिलती है कि नए कण कैसे व्यवहार कर सकते हैं, और नए प्रयोगों से क्या उम्मीद की जा सकती है, और सटीक नए अनुमान लगाने के बारे में सटीक अनुमान प्राप्त करने के लिए यदि इन भविष्यवाणियों में से एक, तो यह कहना संभव होगा कि एलएचसी पर डार्क मैटर की खोज की गई थी।

क्या ऐसा हो सकता है, क्या ऐसा जल्द हो सकता है? बेशक। लेकिन, जैसा कि आप देख सकते हैं, इसके लिए हमें एक पंक्ति में कई बार भाग्यशाली होना चाहिए, इसलिए, हालांकि कुछ भी असंभव नहीं है, आपको बहुत जल्द इसकी उम्मीद नहीं करनी चाहिए। सबसे अधिक संभावना है, इसमें काफी लंबा समय लगेगा, शायद दशकों तक। और अगर डार्क मैटर में ऐसे कण होते हैं जो एलएचसी पर नहीं बन सकते हैं, या इसमें बिल्कुल भी कण नहीं हैं, या यह बिल्कुल भी मौजूद नहीं है - तो, ​​एलएचसी हमें यह नहीं बताएगा। वह बस इस बारे में चुप हो जाएगा। इसलिए हम उम्मीद नहीं खोते हैं, वैज्ञानिक देख रहे हैं, लेकिन यह ब्रह्मांड के महान रहस्यों को सुलझाने के लिए अन्य तरीकों का अभ्यास करने के लायक है।