Como eles procuram matéria escura no Large Hadron Collider

A matéria escura é algo mais esquivo do que as chaves perdidas do carro e mais misterioso do que o ícone queimando no painel do carro. Provavelmente existe, e se sim, consiste na maior parte da matéria do universo. Ele pode consistir de partículas e, se houver, e se os cientistas tiverem sorte, o Large Hadron Collider (LHC) poderá criar algumas delas. De qualquer forma, em experimentos realizados no LHC, também é possível procurar essas partículas (embora seja mais fácil encontrar as chaves do carro).

Neste artigo, tentarei responder perguntas óbvias sobre como os cientistas do LHC podem observar os efeitos de uma nova partícula indetectável e como eles podem obter evidências de que essa partícula realmente pertence à matéria escura.

Detetive: Você quer chamar minha atenção para mais alguma coisa?
Sherlock Holmes: Em um estranho acidente noturno com um cachorro.
Detetive: Mas o cachorro não fez nada à noite.
Sherlock Holmes: Isso foi estranho.

- A.K. Doyle

Como as experiências do LHC podem detectar o indetectável?

Experimentos no ATLAS LHC e CMS podem de fato participar da busca de matéria escura. Isso não é como procurar chaves, porque em experimentos ninguém espera detectar diretamente a matéria escura. Mas, afinal, nenhum deles detecta diretamente neutrinos!

Os neutrinos criados muitas vezes por segundo em colisões de prótons no LHC passam pelo ATLAS e CMS sem tocar em nada e sem deixar vestígios. Apesar disso, o ATLAS e o CMS podem concluir que os neutrinos foram obtidos - e podem usar a mesma tecnologia para a matéria escura. Eu vou explicar agora; ela é bem simples. E então explicarei uma coisa um pouco mais complicada - como distinguir a matéria escura dos neutrinos.

Nota: quando escrevo “indetectável”, quero dizer “indetectável em experimentos com LHC”. O neutrino não pode ser detectado no LHC, mas pode - com grande dificuldade e baixa probabilidade - em experimentos completamente diferentes. Recipientes de água gigantescos estão envolvidos em enormes experiências e, em alguns casos, conseguem detectar apenas alguns neutrinos por mês! Com a matéria escura, as coisas podem ser semelhantes; muitas experiências são projetadas para isso.

O princípio básico é a lei de conservação do momento. É fácil ilustrar, especialmente se você é desajeitado o suficiente. Pegue um copo de água e despeje-o bruscamente no chão, no chuveiro. Como resultado, salpicos aparecerão. Na fig. A Figura 1 mostra como a água se espalha em todas as direções e forma um padrão aproximadamente circular no chão. É importante que isso aconteça em todas as direções. Você nunca verá a água espirrando apenas para a esquerda, e não para a direita. Isso ocorre como resultado da conservação do momento.


Fig. 1: consequências da conservação do momento. a) a água espirra em todas as direções. b) a saudação explode em todas as direções. c) O avião está voando para a frente, pois suas turbinas conduzem o ar para trás. d) quando disparada de uma pistola, a bala voa para frente e a pistola joga para trás o recuo. e) uma ejeção para baixo move o foguete para cima.

Muitos exemplos podem ser inventados nos quais a lei da conservação do momento desempenha o papel principal. Os detalhes podem variar, mas o princípio básico permanece o mesmo.




Fig. 2

Na fig. A Figura 2 mostra um experimento que você pode repetir. Encha a bola, direcione o pescoço para você e solte. A bola voará para longe de você. Porque Porque o ar da bola corre em sua direção - você pode até sentir. Mas seu amigo, observando isso do outro lado da sala, não sente o ar saindo e não o vê. Mas se ele conhece a lei da conservação do momento, ele pode assumir que o ar deve sair da bola em sua direção - esta é a única razão pela qual a bola estacionária começa a se afastar de você quando você a solta. A capacidade de assumir que você tem algo que você não vê ou descobrir de alguma forma é a ideia principal do experimento.

A colisão de dois prótons no LHC é como espirrar água em sua alma, apenas o eixo vertical é girado para a horizontal. A colisão ocorre no frontal, em um eixo - vamos chamá-la de "direção do feixe", que vai da direita para a esquerda na Fig. 3. Iremos chamar duas outras direções, de cima para baixo e perpendiculares à imagem - transversal ou perpendicular à direção do feixe.


Fig. 3

Após a colisão, dezenas de partículas (outros hadrons criados devido à energia da colisão) aparecem e se espalham, e elas voam principalmente na direção do feixe. Eles não são muito interessantes para nós - são difíceis de medir e não responderão a perguntas de físicos de interesse hoje. Também aparecem partículas com um momento muito pequeno, o que também não é importante para nós.

Mas, às vezes, algumas partículas voam nas direções transversais e carregam um grande momento - estamos falando do grande "momento transversal" deles. Mas a lei de conservação do momento sugere que, como os prótons iniciais não tinham um momento transversal, o momento transversal total de todas as partículas deve ser equilibrado. Se uma partícula sobe, deve haver uma ou mais outras descendo. Se a partícula voa em sua direção, deve haver aquelas que voam para longe de você.

Um exemplo clássico de uma colisão é mostrado na fig. 4. A colisão de prótons ocorre no centro do detector ATLAS, que detectou e mediu traços de partículas resultantes da colisão. Em seguida, essas faixas foram desenhadas em um computador para que os cientistas pudessem ver para onde foram. A maioria das partículas se espalhou para a esquerda e para a direita, e elas não são mostradas aqui. Traços azuis indicam as trajetórias de partículas com um momento muito pequeno. Mas duas faixas amarelas terminando em manchas amarelas indicam partículas com altas energias e momento. Um deles é um elétron voando. E mesmo antes de prosseguirmos para outra partícula, já sabemos pela lei de conservação que pelo menos uma partícula com um grande momento transversal deve voar abaixo. E aqui está - um traço amarelo abaixo, que acabou sendo um anti-elétron ou um pósitron.


Fig. 4

Mas na fig. 5 você pode ver outra colisão - a partir do experimento CMS. Um elétron voa para cima, como na Fig. 4. Mas nem uma única partícula com um grande momento transversal voa para baixo. O que está havendo?


Fig. 5

Provavelmente, uma partícula voou, mas o experimento não conseguiu detectá-la. Porque os cientistas sabem que:
• O CMS não pode detectar neutrinos e antineutrinos,
• Elétrons e antineutrinos geralmente se formam juntos como resultado da decomposição de uma partícula W,

Será natural supor que isso é exatamente o que está acontecendo aqui: o elétron CMS detectado voa para cima, o antineutrino voa para baixo, que o CMS não conseguiu detectar.

Obviamente, surge a questão de saber se o impulso não pode ser preservado. Isso é muito improvável - basta olhar para uma ampla gama de experimentos realizados ao longo de várias décadas, incluindo aqueles realizados no ATLAS e no CMS, e ficará claro que tudo fala em favor da manutenção do momento.

Até agora, tudo era esquemático e em nível qualitativo, mas é importante entender que os físicos podem fazer afirmações quantitativas precisas sobre a conservação do momento. Por exemplo: se se sabe que o momento nas direções transversais é inicialmente zero antes da colisão, você pode tirar todos os momentos das direções transversais, adicioná-los como vetores e esperar que sua soma seja zero.

Em uma colisão de prótons, seu momento nas direções transversais é zero. Após uma colisão no ATLAS, um experimento mede todas as partículas detectadas. Algumas partículas vão na direção do feixe e não são medidas - mas não têm um momento transversal. Para alguns, o momento transversal é insignificante. Mas para alguns, pode ser ótimo. Se somarmos os pulsos transversais e sua soma for próxima de zero (nenhuma medição é perfeita), podemos concluir que o ATLAS detectou com sucesso todas as partículas. Mas se a soma estiver longe de zero, podemos concluir que o ATLAS não conseguiu detectar uma ou mais partículas com um momento transversal. Podem ser conhecidas partículas - neutrinos - ou desconhecidas, por exemplo, matéria escura.

Agora você sabe que, se as partículas de matéria escura aparecerem nos experimentos ATLAS ou CMS, elas não poderão ser detectadas. Mas os experimentadores serão capazes de assumir, no caso em que a soma do momento transversal é diferente de zero, que uma ou mais partículas indetectáveis ​​foram obtidas.

Obviamente, o mesmo acontece quando os neutrinos são criados em experimentos - e isso acontece muitas vezes por segundo. Então, como o LHC pode descobrir que tem algo diferente de um neutrino? E como os cientistas podem entender que esse novo produto é matéria escura?

Como os experimentos do LHC distinguem a matéria escura dos neutrinos?

Na seção anterior, expliquei como os pesquisadores do ATLAS ou CMS podem descobrir que em uma das colisões de prótons uma ou mais partículas apareceram através de um experimento sem serem detectadas. Mas como os pesquisadores podem descobrir se encontraram algo novo e surpreendente, por exemplo, partículas de matéria escura em vez de neutrinos comuns que conhecemos há muitas décadas? Por que não coletar apenas os suspeitos do costume, em vez de anunciar que um novo criminoso apareceu na cidade?

Simplificando, não se pode dizer que tipo de partículas indetectáveis ​​apareceram nesse experimento em particular. Também geralmente não se sabe quantas dessas partículas apareceram. Em vez disso, as informações são coletadas de um grande número de colisões. Especificamente, decorre de uma comparação dos dados obtidos com as previsões das equações usadas para descrever partículas e forças conhecidas, chamadas de "Modelo Padrão". Vou dar um exemplo de como isso funciona.

A maneira mais fácil de imaginar que em uma colisão de prótons foram criados dois neutrinos, ou duas partículas de matéria escura, ou duas entidades indetectáveis. Suponha (Fig. 6) que apenas essas duas partículas possuem um momento transversal significativo (lembre-se de que em colisões muitos hadrons são geralmente gerados, mas eles geralmente se espalham na direção do feixe e seu momento transversal é pequeno). Então não vamos ver nada! Por exemplo, uma dessas partículas pode subir, a segunda, com pulsos da mesma magnitude e direção oposta - exatamente como ocorreu com o elétron e o pósitron na Fig. 4. Mas se as duas partículas não forem detectadas, o momento transversal das partículas detectadas parecerá equilibrado, e nem saberemos que partículas indetectáveis ​​nasceram lá!


Fig. 6

Mas nem tudo está perdido. Geralmente, nas colisões de prótons no nascimento de qualquer partícula com um grande momento transversal, também aparecem glúons aleatórios de alta energia. Às vezes, esse glúon (ou vários glúons) voa na direção transversal, recebendo também um grande momento transversal. Então veremos algo como o mostrado na fig. 7. Esse evento é chamado de “evento mono-jato” e existe um jato com um grande momento transversal (sprays de hadrons criados pela gluon), ricocheteando no “nada”, provavelmente de um neutrino e anti-neutrino não detectado (devido à decomposição) Partículas Z).

Compare a foto. 6 e fig. 7: agora temos um jato com um grande momento transversal a partir do qual duas partículas não detectadas ricocheteiam. Visto que vemos o jato, concluímos que o momento transversal das partículas observadas não é equilibrado e nascem partículas indetectáveis ​​de um determinado tipo.


Fig. 7

Na fig. 8 mostra a mesma colisão que na fig. 7, apenas a direção do feixe é perpendicular à imagem.


Fig. 8

Agora, um exemplo real do monojet observado no experimento ATLAS. Na figura, a direção do feixe é perpendicular à imagem.


Fig. 9

O experimento ATLAS possui uma estrutura bulbosa e é equipado com sensores em vários níveis. O confronto aconteceu exatamente no meio. A seção rastreador mostra os caminhos das partículas que compõem o jato. Nos departamentos "calorímetro" (eletromagnético e hádron), a energia das partículas é marcada por manchas verdes e vermelhas. Observe que não há traços ou pontos significativos em nenhum outro lugar, o que implica que o momento transversal total não é claramente igual a zero. Os traços que levam à esquerda e à esquerda têm muito pouco momento lateral e ficam muito próximos da direção da viga. Os cientistas acreditam que, neste caso, provavelmente, foram obtidos glúons, neutrinos e antineutrinos. Mas, de fato, não se pode ter certeza de quais partículas foram obtidas nessa colisão.

O modelo padrão permite com precisão bastante boa prever em que porcentagem de colisões de prótons uma certa falta do momento transversal será observada. Isso é mostrado na fig. 10. A parte superior da parte azul indica a previsão do modelo padrão para a frequência com que os neutrinos com pelo menos um jato (composto por vários componentes indicados por cores diferentes aparecerão; o azul é o maior efeito devido às partículas Z geradoras de pares de neutrinos / antineutrino: os dados são marcados com pontos pretos e os erros são verticais.


Fig. 10. Dados do CMS (pontos pretos) e previsões do modelo padrão (áreas coloridas). No eixo vertical - o número de eventos em que há uma certa falta de momento transversal; no eixo horizontal - o impulso que falta E _T ^erra . Observe como os dados correspondem às previsões. A linha vermelha - o efeito que os gravitons deixariam, desaparecendo em dimensões adicionais - obviamente não está confirmada. Observe que o gráfico é logarítmico.

Uma linha vermelha tracejada seria confirmada na presença de gravitons desaparecendo em dimensões adicionais . Os dados obviamente coincidem com o modelo padrão e excluem a presença de gravitons. Além disso, os dados não concordam (embora não sejam tão óbvios) com a possível aparência de partículas de matéria escura (partículas com uma certa massa e força de interação), indicadas por uma linha azul sólida. Se essas partículas aparecessem, os últimos 2-3 pontos seriam muito mais altos.

Neste exemplo, você pode ver o quão friamente as equações do Modelo Padrão são usadas para prever partículas conhecidas. Eles nos permitem determinar com que freqüência devemos esperar que um jato ricocheteie do “nada”, ou seja, dos neutrinos indetectáveis. Essa previsão coincidirá com os dados se outros tipos de partículas indetectáveis ​​não aparecerem em colisões no LHC. E esperamos que as previsões não se realizem apenas se novos tipos de partículas indetectáveis ​​aparecerem no LHC e / ou neutrinos aparecerem de uma maneira que não nos é conhecida - por exemplo, como resultado da deterioração de um novo tipo de partícula instável.

Essa é uma estratégia de experimento comum. Temos muitas previsões, muitas dimensões pelas quais verificamos a distribuição do momento transversal ausente em grandes grupos de colisões semelhantes. Se acharmos que as previsões não são cumpridas, acontece algo que não é explicado pelo modelo padrão, ou seja, partículas indetectáveis ​​desconhecidas aparecem ou são conhecidas (neutrinos), mas não da maneira que esperamos.

Tal descoberta mostraria que o Modelo Padrão claramente não descreve toda a física no LHC e traria muitas recompensas para os experimentadores. Mas sua interpretação seria extremamente ambígua! Mesmo que recebêssemos partículas de matéria escura, isso seria completamente óbvio! Saberíamos apenas que em um certo processo, inesperadamente, muitas vezes nascem partículas indetectáveis. A transição deles para partículas de matéria escura seria logicamente irracional.

Como os cientistas podem distinguir entre diferentes possibilidades e finalmente chegar à conclusão sobre a descoberta da matéria escura? Não será fácil e pode levar muitos anos ou até décadas.

Mais dois exemplos

Mas primeiro, deixe-me dar mais dois exemplos de como a matéria escura ou outras partículas indetectáveis ​​podem se manifestar. O bóson de Higgs recém-descoberto às vezes pode decair na matéria escura ou em algo indetectável. Os chamados As deteriorações invisíveis de Higgs no Modelo Padrão são extremamente raras; portanto, se acontecerem com frequência, isso seria uma descoberta incrível! E essas decadências já estão sendo procuradas. O decaimento invisível de Higgs não pode ser observado diretamente, mas os Higgs são geralmente compostos de partículas W, Z ou certos pares de quarks (emitindo jatos específicos relativamente próximos do feixe - veja a Fig. 11). E eles já podem ser observados, assim como a falta do momento transversal do Higgs, que se decompõe em partículas indetectáveis. Mas, como sempre, esse sinal também pode ser encontrado no Modelo Padrão - quando a partícula Z decai em neutrinos, em vez de Higgs decai em matéria escura. Eles podem ser distinguidos apenas contando o número de colisões desse tipo e verificando quanto esse número excede as previsões do Modelo Padrão.


Fig. 11. A partícula de Higgs (H) pode surgir junto com dois quarks de alta energia, cada um dos quais gera um jato de alta energia (hadrons dispersantes). Esses jatos incomuns ricocheteiam em Higgs, cuja decadência em partículas indetectáveis ​​pode levar ao aparecimento de uma grande escassez do momento transversal. Mas o mesmo sinal pode surgir quando uma partícula Z é produzida como resultado de uma colisão, que se decompõe em neutrinos e antineutrinos.

Outro exemplo: em muitas variantes da física de partículas consideradas pelos cientistas, incluindo, mas não se limitando à supersimetria, as equações preveem a presença de uma nova partícula eletricamente carregada capaz de se decompor na matéria escura. Neste caso, como resultado da colisão de prótons, o aparecimento de um elétron (ou múon) e um anti-elétron (ou antimuon) e duas partículas de matéria escura que permanecem indetectadas e que dão o momento transversal ausente não pode ser chamado de incomum (Fig. 12).


Fig. 12

O único problema é que partículas conhecidas podem deixar essa imagem. Quando uma partícula W carregada positivamente e sua antipartícula (partícula W carregada negativamente) nascem em colisões, essas partículas podem decair em algo que se parece exatamente com a fig. 12, somente em vez de duas partículas de matéria escura elas geram neutrinos e antineutrinos. A única maneira de detectar a matéria escura é fazer cálculos. Se novas partículas forem criadas além de W, o número de colisões desse tipo será maior que o esperado. É interessante que nos dados atuais do LHC haja apenas mais colisões do que o esperado - nem tanto para ficar muito feliz com isso, mas o suficiente para monitorar cuidadosamente como o LHC coleta uma grande quantidade de dados.

Estes são apenas três dos muitos exemplos. Há ainda mais idéias sobre o que a matéria escura pode vir a ser do que os especialistas em matéria escura, e em cada caso existem muitas opções de como a matéria escura pode ser criada no LHC. Portanto, os pesquisadores não sabem ao certo como procurá-lo nos experimentos - e estão preparando um programa muito amplo e variado de pesquisas para não perder nada.

Mesmo que novas partículas indetectáveis ​​sejam encontradas no LHC, serão realmente partículas de matéria escura?

Como os experimentos no LHC podem provar que receberam matéria escura? De jeito nenhum. Pelo menos por conta própria. Mesmo que recebam um novo tipo de partículas indetectáveis, terão que cooperar com pelo menos um experimento que possa verificar se realmente resultou em matéria escura (a substância na qual o Universo é rico). Informações simples sobre a existência de um certo tipo de partículas não provam que são essas partículas no Universo que são mais. Como os neutrinos, pode constituir uma pequena parte da matéria do Universo. Ou nenhum - se as novas partículas forem instáveis ​​(como acontece com a maioria das partículas) e viverem o suficiente para passar despercebidas fora dos sensores do LHC antes de decairem, mas pequenas o suficiente para desaparecer do Universo logo após o Big Bang .

Em resumo: mesmo que uma nova classe de partículas não detectadas por sensores seja detectada no LHC, os pesquisadores não serão capazes de determinar quantas dessas partículas estão no Universo hoje. TANK não se destina a isso.

O que fazer? O LHC pode ser usado para determinar algumas propriedades de novas partículas e fazer certas suposições. Por exemplo, na seção anterior, dei três exemplos de como descobrir partículas indetectáveis. Em cada caso, as partículas foram obtidas de uma certa maneira. Por exemplo, se apenas essas partículas foram geradas, após a colisão um único jato foi obtido (Fig. 8). Se as partículas nasceram do decaimento de Higgs, foram obtidos dois jatos de alta energia de dois quarks específicos (Fig. 11). Se eles foram gerados durante o decaimento de uma nova partícula carregada (Fig. 12), isso aconteceu na presença de um lepton carregado e um antilepton carregado (um lepton carregado é um elétron, múon ou tau). Então, observando o que acompanha novas partículas e investigando os detalhes da falta de momento transversal,os cientistas em princípio podem hipotetizar a natureza dessas novas partículas. Eles podem ser expressos através de equações que podem ser usadas para fazer previsões.

E agora estamos quase lá. Se você tem uma hipótese sobre o que é uma nova partícula, pode se perguntar: como a matéria escura se comportaria se ela consistisse em partículas desse tipo?

Por exemplo, alguém poderia perguntar com que frequência essas partículas reagiriam com a matéria comum? Quanta energia restaria após as interações? Sabendo quanta matéria escura existe no Universo, pode-se prever com que frequência experimentos subterrâneos como LUX, XENON100, CDMS etc. receberia sinais desse tipo de matéria escura. Talvez essa quantia seja tão grande que a hipótese já tenha sido refutada? Ou é tão pequeno que eles ainda não receberam esses sinais, mas grande o suficiente para recebê-los em um futuro próximo?

Outra pergunta: o que acontece se essas partículas de matéria escura se encontrarem em algum lugar no centro de nossa galáxia ou no centro de galáxias anãs próximas? Eles podem aniquilar e produzir partículas visíveis, como elétrons, antielétrons, antiprótons, fótons (possivelmente na forma de radiação gama ou raios-x)? E pode-se perguntar se esses satélites e telescópios, como PAMELA, FERMI-LAT, AMS, etc., já descobriram essas partículas ou se elas não serão detectadas em breve?

Somente se e quando obtivermos informações suficientes do LHC (ou coletores do futuro) para formular hipóteses claras sobre como as novas partículas podem se comportar e obter previsões precisas do que pode ser esperado de novos experimentos, e somente quando novos experimentos confirmarem se uma dessas previsões, seria possível dizer seriamente que a matéria escura foi descoberta no LHC.

Isso poderia acontecer, pode acontecer em breve? Claro. Mas, como você pode ver, por isso devemos ter sorte várias vezes seguidas; portanto, embora não haja nada impossível, você não deve esperar isso muito em breve. Muito provavelmente, levará muito tempo, talvez décadas. E se a matéria escura consistir em partículas que não podem ser criadas no LHC, ou que não consistem em partículas, ou que nem sequer existem - bem, o LHC não nos dirá isso. Ele simplesmente ficará calado sobre isso. Portanto, não perdemos a esperança, os cientistas estão procurando, mas vale a pena praticar outras abordagens para resolver os grandes mistérios do universo.