暗物比丢失车钥匙更难以捉摸，比在汽车仪表板上燃烧的图标更神秘。 它可能存在，如果存在的话，它就包含了宇宙中大部分的物质。 它可以由粒子组成，如果是这样，并且如果科学家很幸运，那么大型强子对撞机（LHC）将能够创建其中的一些粒子。 无论如何，在大型强子对撞机上进行的实验中，人们也可以搜索这种颗粒（尽管可能更容易找到汽车的钥匙）。
在本文中，我将尝试回答有关LHC的科学家如何观察新的无法检测到的粒子的影响以及他们如何获得该粒子确实属于暗物质的证据的明显问题。
侦探：您想引起我其他注意吗？
夏洛克·福尔摩斯：一次与狗的奇怪夜间事故。
侦探：但是那只狗在晚上什么也没做。
福尔摩斯：太奇怪了。
-A.K.道尔
LHC实验如何检测到无法检测到的？
ATLAS LHC和CMS上的实验确实可以参与暗物质的搜索。 这不像寻找钥匙，因为在实验中没有人希望直接检测暗物质。 但毕竟，它们都没有直接检测中微子！
在LHC上质子碰撞中，每秒产生多次的中微子穿过ATLAS和CMS，而没有碰到任何东西，也没有留下任何痕迹。 尽管如此，ATLAS和CMS仍可以得出结论：获得了中微子-他们可以对暗物质使用相同的技术。 我现在将解释。 她很简单。 然后，我将解释一个稍微复杂的事情-如何区分中微子和暗物质。
注意：当我写“无法检测”时，我的意思是“在大型强子对撞机实验中不可检测”。 在LHC上无法检测到中微子，但是在完全不同的实验中，中微子的检测非常困难且概率很小。 巨大的水容器参与了如此庞大的实验，在某些情况下，它们每个月只能检测到少量中微子！ 对于暗物质，情况可能相似。 为此设计了许多实验。
基本原理是动量守恒定律。 这很容易说明，特别是如果您笨拙的话。 拿一杯水，然后将其急剧地直接倒在淋浴间的地板上。 结果，将出现飞溅。 在图。 图1显示了水如何在所有方向上散射并在地板上形成近似圆形的图案。 重要的是，这要全方位发生。 您将永远不会看到水只溅到左侧，而不会溅到右侧。 这是由于保持动量而发生的。
图 1：保持动力的后果。 a）水向各个方向飞溅。 b）礼炮向各个方向爆炸。 c）飞机正在向前飞行，因为其涡轮将空气向后驱动。 d）当从手枪发射时，子弹向前飞，手枪向后退。 e）向下弹出将火箭向上移动。您可以举很多例子，其中主要的作用是由动量守恒定律发挥的。 细节可能有所不同，但基本原理保持不变。
图 2在图。 图2显示了可以重复进行的实验。 给球充气，将其脖子对准您并释放。 球会飞离你。 怎么了 因为来自球的空气冲向您-您甚至可以感觉到。 但是您的朋友从房间的另一端观看时，看不到空气出来，也看不到它。 但是，如果他知道动量守恒定律，他就可以认为空气应该朝你射出，这是固定球在释放时开始从你身上移开的唯一原因。 假设您有自己看不到的东西或以任何方式发现它的能力是实验的关键思想。
大型强子对撞机上两个质子的碰撞就像是在您的灵魂中泼水，只有垂直轴旋转到水平方向。 碰撞发生在正面的一个轴上-我们称其为“光束方向”，在图2中从右向左移动。 3.我们将调用另外两个方向，即从上到下并垂直于图像-横向或垂直于光束方向。
图 3碰撞后，数十个粒子（由于碰撞能量而产生的其他强子）出现并散射，它们大部分沿光束方向飞行。 它们对我们来说不是很有趣-它们很难测量，也不会回答当今感兴趣的物理学家的问题。 动量很小的粒子也会出现，这对我们也不重要。
但是有时某些粒子沿横向方向飞走并带有很大的动量-我们所说的是它们的大“横向动量”。 但是动量守恒定律表明，由于初始质子没有横向动量，因此必须平衡所有粒子的总横向动量。 如果一个粒子上升，则必须有一个或多个其他粒子下降。 如果粒子飞向您，则应该有那些粒子飞离您。
碰撞的经典示例如图2所示。 4.质子碰撞发生在ATLAS检测器的中央，该检测器检测并测量了碰撞产生的微粒痕迹。 然后将这些轨迹绘制在计算机上，以便科学家可以看到它们的去向。 大多数粒子左右散布，此处未显示。 蓝色痕迹表明具有很小动量的粒子的轨迹。 但是，两条以黄色斑点结尾的黄色轨道表示粒子具有高能量和动量。 其中之一是电子飞散。 甚至在进行另一个粒子之前，我们就已经从守恒律中知道至少一个横向动量大的粒子应该飞下来。 这是-下面的黄色痕迹，原来是反电子或正电子。
图 4但是在图。 5您可以从CMS实验中看到另一个碰撞。 如图所示，电子在其中向上飞行。 4.但是，没有一个具有大横向动量的粒子会飞下来。 这是怎么回事？
图 5最有可能的是，一个粒子飞了下来，但是实验无法检测到它。 因为科学家知道：
•CMS无法检测中微子和抗中微子，
•电子和反中微子通常是W粒子衰变的结果，
很自然地假设这正是这里发生的情况：检测到的CMS电子飞起，抗中微子飞下，而CMS无法检测到。
当然，关于是否不能保留冲动的问题出现了。 这几乎是不可能的-仅看过去几十年来进行的广泛实验，包括在ATLAS和CMS上进行的实验，就可以清楚地看到，一切都代表着保持势头。
到目前为止，所有内容都是示意性的和定性的，但重要的是要了解物理学家可以就动量守恒做出准确的定量陈述。 例如：如果已知在碰撞之前横向的动量最初为零，那么您可以从横向获取所有矩，将它们作为矢量相加，并期望它们的总和为零。
在质子碰撞中，它们在横向方向上的动量为零。 ATLAS发生碰撞后，实验会测量所有检测到的颗粒。 一些粒子沿光束方向行进，无法测量-但它们没有横向动量。 对于某些人来说，横向动量可以忽略不计。 但是对于某些人来说，这可能很棒。 如果我们将横向脉冲相加并且它们的和接近于零（没有完美的测量结果），我们可以得出结论，ATLAS成功地检测到所有粒子。 但是，如果总和不为零，我们可以得出结论，ATLAS无法检测到一个或多个具有横向动量的粒子。 它可以是已知粒子-中微子-或未知粒子，例如暗物质。
现在您知道，如果暗物质颗粒出现在ATLAS或CMS实验中，则无法检测到它们。 但是，当横向矩之和不为零时，实验者将能够假定获得了一个或多个无法检测到的粒子。
当然，在实验中产生中微子时也会发生同样的事情-并且每秒发生多次。 那么，大型强子对撞机如何确定它与中微子有所不同呢？ 科学家如何理解这种新产品是暗物质？
LHC实验如何区分中微子和暗物质？
在上一节中，我解释了ATLAS或CMS实验人员如何发现质子碰撞中的一个或多个粒子通过实验出现而未被发现。 但是，实验者如何才能发现他们是否发现了一些新奇的东西，例如，暗物质粒子而不是我们几十年来所知道的普通中微子呢？ 为什么不只搜集通常的犯罪嫌疑人，而不是宣布新罪犯出现在这座城市呢？
简而言之，无法说出在这一特定实验中出现了哪种无法检测到的颗粒。 通常也不知道出现了多少这种颗粒。 而是从大量冲突中收集信息。 具体地，它是通过将获得的数据与用于描述已知粒子和力的方程式的预测进行比较而得出的，这些方程式被称为“标准模型”。 我会给你一个例子。
想象质子碰撞中产生两个中微子，或者两个暗物质粒子，或者两个无法检测到的实体的最简单方法。 假定（图6）只有这两个粒子具有显着的横向动量（回想一下，在碰撞中通常会产生许多强子，但它们通常会沿光束方向散射，并且横向动量很小）。 那我们什么也看不到！ 例如，这些粒子中的一个可以上升，第二个下降，而脉冲的大小相同，方向相反，就像图1中的电子和正电子一样。 4.但是，如果两个粒子都没有被检测到，则被检测到的粒子的横向力矩看起来将是平衡的，我们甚至都不知道那里没有检测到粒子。
图 6但是，并非一切都丢失了。 通常，在质子碰撞中，任何具有大横向动量的粒子在诞生时都会出现随机的高能胶子。 有时这种胶子（或几个胶子）在横向飞行，也接收较大的横向动量。 然后，我们将看到类似于图2所示的内容。 7.这种事件被称为“单喷射事件”，有一个具有较大横向动量的射流（由胶子产生的强子喷雾），其弹跳是“无”，可能是由于未发现的中微子和反中微子（由衰变引起） Z粒子）。
比较图片。 6和图。 7：现在我们有了一个具有大横向动量的射流，从该射流中有两个未被检测到的粒子弹跳 由于我们看到了喷流，因此可以得出结论，观察到的颗粒的横向动量不平衡，并且产生了某种无法检测到的颗粒。
图 7在图。 图8示出了与图7相同的碰撞。 在图7中，只有光束的方向垂直于图像。
图 8现在是在ATLAS实验中观察到的单喷的真实示例。 在图中，光束方向垂直于图像。
图 9ATLAS实验具有球形结构，并在多个级别配备了传感器。 冲突恰好发生在中间。 跟踪器部分显示了组成射流的粒子的路径。 在“量热仪”（电磁和强子）部门，粒子能量以绿色和红色斑点标记。 请注意，在其他任何地方都没有明显的痕迹或斑点，这意味着总的横向动量显然不等于零。 向上和向左延伸的迹线的横向力矩太小，并且太靠近光束方向。 科学家认为，在这种情况下，很可能获得了胶子，中微子和抗中微子。 但是实际上，不能确定在此碰撞中获得了哪些粒子。
标准模型允许以相当好的精度预测在质子碰撞的百分比中将观察到一定程度的横向动量不足。 如图所示。 10.蓝色部分的上部表示对标准模型的预测，该模型针对具有至少一个射流的中微子出现的频率（由不同颜色表示的几种成分组成；蓝色是Z粒子产生中微子对的最大影响/反中微子：数据用黑点标记，并且错误是垂直的。
图 10.来自CMS的数据（黑点）和标准模型的预测（彩色区域）。 纵轴-某些活动量缺乏横向动量； 在水平轴上-缺失冲量E T miss 。 注意数据与预测的匹配程度。 红线（引力子将离开的效果，在其他维度上消失）显然没有得到确认。 请注意，该图是对数的。如果存在引力子，而在
其他维度上消失，则会确认一条红色虚线。 数据显然与标准模型一致，并且排除了引力子的存在。 同样，数据与蓝色实线表示的暗物质粒子（具有一定质量和相互作用力的粒子）可能出现的外观也不一致（尽管不是很明显）。 如果出现此类粒子，则最后2-3点将更高。
在此示例中，您可以看到标准模型方程式用于预测已知粒子的程度如何。 它们使我们能够确定我们应该多久期待喷气机从“一无所有”（即无法检测到的中微子）弹跳。 如果其他类型的无法检测到的粒子没有出现在大型强子对撞机的碰撞中，则该预测将与数据一致。 我们希望，只有当LHC上出现新类型的不可检测粒子和/或中微子以我们不知道的方式出现时（例如，由于新型不稳定粒子的衰变而导致），预测才会实现。
这是一种常见的实验策略。 我们有很多预测，很多维度，通过这些维度，我们可以检查大批相似碰撞中缺少的横向动量的分布。 如果我们发现未满足预测要求，则发生标准模型无法解释的事情，即出现未知的不可检测粒子或已知（中微子），但不是我们所期望的方式。
这样的发现将表明标准模型显然不能描述大型强子对撞机中的所有物理学，并且会给实验者带来很多回报。 但是他的解释会非常模棱两可！ 即使我们收到了暗物质的颗粒，也将是完全不明显的！ 我们只会知道，在某个过程中，常常会出乎意料地生出不可检测的粒子。 从它们到暗物质颗粒的过渡在逻辑上是不合理的。
科学家如何区分不同的可能性，最后得出有关暗物质发现的结论？ 这并非易事，可能需要很多年，甚至数十年。
另外两个例子
但首先，让我再给您两个有关暗物质或其他无法检测到的粒子如何表现出来的示例。 最近发现的希格斯玻色子有时会腐烂成暗物质或无法探测的东西。 所谓的 希格斯在标准模型中看不见的“衰变非常罕见，因此，如果事实证明它们经常发生，那将是一个了不起的发现！ 并且已经在寻找这种衰变。 不能直接观察到不可见的希格斯衰变，但是希格斯通常由W粒子，Z粒子或某些夸克组成（发出相对靠近光束的特定射流-见图11）。 而且已经可以观察到它们，以及希格斯横动量的不足，它会衰减成无法检测的粒子。 但是，像往常一样，这种信号也可以在标准模型中找到-当Z粒子衰减成中微子而不是希格斯衰减成暗物质时。 只能通过计算这种类型的碰撞次数，并检查该次数超出标准模型的预测值，才能区分出它们。
图 11.希格斯粒子（H）可能与两个高能夸克一起出现，每个夸克都产生一个高能射流（散射强子）。 希格斯这样的异常喷气机跳动，其腐烂成无法检测的粒子，可能导致横向动量严重不足。 但是，当碰撞产生Z粒子时，会产生相同的信号，而Z粒子会衰减为中微子和反中微子。另一个例子：在科学家考虑的许多粒子物理学变体中，包括但不限于超对称性，方程式预测了能够衰变成暗物质的新型带电粒子的存在。在这种情况下，由于质子的碰撞，电子（或介子）和反电子（或反介子）以及两个暗物质粒子（未被发现并给出缺失的横向力矩）的出现不能被称为异常（图12）。
图 12唯一的问题是众所周知的粒子会留下这样的图像。当带正电的W粒子及其反粒子（带负电的W粒子）在碰撞中诞生时，这些粒子会衰减成与图2完全一样的东西。在图12中，它们仅代替深色物质的两个粒子而产生中微子和反中微子。检测暗物质的唯一方法是进行计算。如果除了W之外还创建了新的粒子，则这种类型的碰撞次数将大于预期的次数。有趣的是，在LHC的当前数据中，发生的冲突比预期的要多-与其说是对此感到非常高兴，不如说是要仔细监视LHC如何收集大量数据的冲突。这些只是许多示例中的三个。关于暗物质到底是什么的想法要比暗物质专家多得多，在每种情况下，关于在大型强子对撞机上如何产生暗物质的选择很多。因此，实验者不确定如何在实验中寻找它-并且他们正在准备一个范围非常广泛的搜索程序，以免遗漏任何东西。即使在大型强子对撞机上发现了新的无法检测到的粒子，它真的是暗物质粒子吗？
大型强子对撞机的实验如何证明他们已经收到了暗物质？没办法至少靠自己。即使他们得到了一种新型的无法检测到的粒子，他们也必须与至少一个能够验证它是否真的产生了暗物质（宇宙中富含的物质）的实验合作。关于某种类型的粒子存在的简单信息并不能证明宇宙中的这些粒子最多。像中微子一样，它可以构成宇宙的一小部分。或根本没有任何东西-如果新粒子不稳定（大多数粒子都发生这种情况），并且它们的寿命足够长，可以在衰变之前在LHC传感器外不被注意地飞行，但是又足够小，可以在大爆炸后不久从宇宙中消失。简而言之：即使在大型强子对撞机上检测不到传感器未检测到的新型粒子，实验者也将无法确定当今宇宙中有多少此类粒子。 TANK不适用于此目的。怎么办大型强子对撞机可用于确定新粒子的某些性质，并作一些假设。例如，在上一节中，我给出了三个如何发现不可检测粒子的示例。在每种情况下，均以某种方式获得颗粒。例如，如果仅生成这些粒子，则在碰撞之后获得单个射流（图8）。如果粒子是由希格斯衰变产生的，则从两个特定的夸克中获得了两个高能射流（图11）。如果它们是在新的带电粒子衰变过程中产生的（图12），则这是在带电轻子和带电小原子（带电轻子是电子，介子或tau）的存在下发生的。因此，观察新粒子所伴随的东西，并研究缺失的横向动量的细节，原则上，科学家可以假设这些新粒子的性质。它们可以通过可用于进行预测的方程式表示。现在我们快到了。如果您对新粒子是什么有一个假设，您可以问自己-如果暗物质由这种类型的粒子组成，暗物质将如何表现？例如，有人可能会问这样的粒子与普通物质发生反应的可能性很小？相互作用后将剩余多少能量？知道了宇宙中有多少暗物质，就可以预测LUX，XENON100，CDMS等地下实验的频率。会接收这类暗物质的信号。也许这个数额如此之大，以至于这一假设已经被驳斥了？还是太小以至于它们还没有收到这样的信号，但是又足够大，可以在可预见的将来接收它们呢？另一个问题：如果这些暗物质粒子在我们银河系中心或附近矮星系的中心相遇，会发生什么？它们会否歼灭并产生可见粒子，例如电子，反电子，反质子，光子（可能以伽马射线或X射线的形式）？也许有人会怀疑，这些粒子是否已经被诸如PAMELA，FERMI-LAT，AMS等卫星和望远镜所探测到，或者它们是否很快就不会被探测到？只有当我们从大型强子对撞机（或未来的对撞机）获得足够的信息时，才能就新粒子的行为提出清晰的假设，并对新实验可以预期的结果做出准确的预测，并且只有在新实验证实如果是这些预测之一，则可以严肃地说在大型强子对撞机中发现了暗物质。这会发生吗，会很快发生吗？当然可以 但是，正如您所看到的，为此，我们应该连续几次幸运，因此，尽管没有什么不可能的，但您不应该很快想到这一点。最有可能的是，将需要相当长的时间，甚至数十年。而且，如果暗物质由LHC上无法产生的颗粒组成，或者根本不包含颗粒，或者根本不存在，那么LHC不会告诉我们。他只会对此保持沉默。因此，科学家们一直期待着我们不会失去希望，但是值得实践其他方法来解决宇宙的巨大奥秘。