Πώς να χρησιμοποιήσετε τον μεγάλο επιταχυντή αδρονίων για να αναζητήσετε τη σκοτεινή ύλη
Ενώ οι κοσμολόγοι μπορεί να γοητεύονται από αυτό που κάνει η σκοτεινή ύλη , οι φυσικοί των σωματιδίων είναι γοητευμένοι από το τι είναι η σκοτεινή ύλη . Για εμάς, η σκοτεινή ύλη θα πρέπει να είναι —φυσικά— ένα σωματίδιο, αν και ένα σωματίδιο που εξακολουθεί να κρύβεται στα δεδομένα μας. Τις τελευταίες δεκαετίες, είχαμε μια δελεαστική εικασία για το τι θα μπορούσε να είναι αυτό το σωματίδιο – δηλαδή, το ελαφρύτερο από μια νέα κατηγορία υπερσυμμετρικών σωματιδίων. Η υπερσυμμετρία είναι μια επέκταση του Καθιερωμένου Μοντέλου των σωματιδίων και των δυνάμεων που αντιμετωπίζει όμορφα ζητήματα σχετικά με τη σταθερότητα της μάζας του μποζονίου Higgs, την ενοποίηση των δυνάμεων και τη σωματιδιακή φύση της σκοτεινής ύλης. Στην πραγματικότητα, η υπερσυμμετρία προβλέπει έναν τεράστιο αριθμό νέων σωματιδίων - ένα για κάθε σωματίδιο που ήδη γνωρίζουμε. Ωστόσο, ενώ ένα από αυτά τα νέα σωματίδια θα μπορούσε να αποτελέσει σκοτεινή ύλη, για πολλούς από εμάς αυτό θα ήταν απλώς ένα χαρούμενο υποπροϊόν.
Αλλά μετά την ανάλυση δεδομένων από την πρώτη (2010–2012) και τη δεύτερη (2015–2018) σειρές του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), δεν έχουμε βρει ακόμη υπερσυμμετρικά σωματίδια—πράγματι, κανένα νέο σωματίδιο, πέρα από το μποζόνιο Higgs . Έτσι, ενώ συνεχίζουμε να αναζητούμε την υπερσυμμετρία, ρίχνουμε επίσης μια νέα ματιά στο τι μπορούν να μας πουν οι συνάδελφοί μας στην κοσμολογία για τη σκοτεινή ύλη. Είναι τελικά η ισχυρότερη πειραματική απόδειξη για νέα φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο.
Στην πραγματικότητα, κάποιοι θα μπορούσαν να πουν ότι ένας κύριος στόχος του LHC και των μελλοντικών επιταχυντών θα είναι η δημιουργία και η μελέτη της σκοτεινής ύλης. Για να συμβεί αυτό, πρέπει να υπάρχει ένα μέσο για το ορατό σύμπαν και το σκοτεινό σύμπαν να επικοινωνούν μεταξύ τους. Με άλλα λόγια, τα συστατικά των σωματιδίων που συγκρούονται πρέπει να είναι ικανά να αλληλεπιδρούν με τα υποτιθέμενα σωματίδια της σκοτεινής ύλης μέσω θεμελιωδών δυνάμεων. Μια δύναμη απαιτεί έναν φορέα δύναμης ή μποζόνιο. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη μεταφέρεται από το φωτόνιο, η ασθενής πυρηνική δύναμη από τα λεγόμενα διανυσματικά μποζόνια και ούτω καθεξής. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ της σκοτεινής ύλης και της κανονικής ύλης δεν πρέπει να διαφέρουν:Θα μπορούσαν να συμβούν με την ανταλλαγή σκοτεινών μποζονίων.
Ακόμα κι αν οι ανιχνευτές μας αγνοούν τα ίδια τα σκοτεινά μποζόνια, έχουμε κάποια ελπίδα να τα αναγνωρίσουμε εάν έχουν κάποια μικροσκοπική αλληλεπίδραση με παρατηρήσιμα σωματίδια—με άλλα λόγια, εάν δεν είναι εντελώς σκοτεινά. Δεδομένου του πόσο αδύναμες θα ήταν αυτές οι αλληλεπιδράσεις, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων θα μπορούσε ήδη να παράγει αυτά τα σωματίδια και απλά δεν έχουμε καταφέρει να τα παρατηρήσουμε ακόμα.
Αφού δημιουργηθεί στον LHC όταν δύο πρωτόνια συγκρούονται, ένα σκοτεινό μποζόνιο μπορεί να διασπαστεί σε σωματίδια σκοτεινής ύλης, τα οποία θα διέφευγαν από τους ανιχνευτές μας χωρίς να αφήσουν ίχνη. Αλλά μπορούσαμε να συμπεράνουμε την παρουσία τους αθροίζοντας όλα τα σωματίδια που παρατηρήσαμε και αναζητώντας μια ανισορροπία ορμής, υποδεικνύοντας ότι κάτι είχε χαθεί. Εναλλακτικά, τα σκοτεινά μποζόνια θα μπορούσαν να διασπαστούν σε συνηθισμένα σωματίδια, όπως τα κουάρκ, και να αφήσουν ξεκάθαρα μοτίβα στα δεδομένα μας. Θα μπορούσαμε να κάνουμε κάποια εγκληματολογία σωματιδίων για να συμπεράνουμε τις ιδιότητες των αόρατων μποζονίων. Αυτό είναι ακριβώς το είδος της δουλειάς για το οποίο σχεδιάστηκαν οι ανιχνευτές LHC και σαρώνουμε συνεχώς τα δεδομένα των επιταχυντών μας για αυτά τα σήματα.
Κάνοντας έρευνες για το σκοτεινό μποζόνιο με αυτόν τον τρόπο, ωστόσο, έχουμε κάνει μια υπόθεση που μπορεί να μην είναι δικαιολογημένη:ότι το σκοτεινό μποζόνιο διασπάται ακαριαία. Τι γίνεται αν δεν το κάνει; Το σκοτεινό σύμπαν, για να είναι σκοτεινό, πρέπει να απομονωθεί από το κανονικό σύμπαν με κάποιο τρόπο. Αυτό μπορεί να κάνει τα σκοτεινά μποζόνια να επιβιώσουν για μια σύντομη —αλλά μετρήσιμη— στιγμή πριν αποσυντεθούν ξανά στην κανονική ύλη. Τα συντρίμμια της αποσύνθεσης δεν θα εμφανίζονταν στα πειράματά μας στο σημείο όπου τα δύο πρωτόνια συγκρούστηκαν, αλλά μετατοπίστηκαν από κάποια σημαντική απόσταση.
Τα πειράματα LHC σχεδιάστηκαν για να αναζητήσουν σωματίδια που προέρχονται από το σημείο αλληλεπίδρασης. Η ανίχνευση των τροχιών των μακρόβιων σωματιδίων (σκοτεινά ή όχι) περιπλέκεται από διάφορους παράγοντες. Θα αποτελούνταν από λιγότερες μετρήσεις, καθιστώντας δυσκολότερη τη σύνδεση των κουκκίδων. Θα ακολουθούσαν άτυπα γεωμετρικά μονοπάτια, παρεμποδίζοντας περαιτέρω τους αλγόριθμους αναγνώρισης προτύπων. και θα μπορούσαν να παράγουν σήματα που θα έφταναν πολύ αργότερα από ό,τι προβλέπουν οι συνηθισμένοι αλγόριθμοι.
Αλλά αυτό είναι ακριβώς το είδος της πρόκλησης που αγκαλιάζουν οι φυσικοί. Αναβιώνοντας κόλπα δεκαετιών και εφευρίσκοντας ολοκαίνουργιες μεθόδους, έχουμε τροποποιήσει τους αλγόριθμούς μας ώστε να είμαστε ευαίσθητοι σε αυτά τα άτυπα μοτίβα σωματιδίων. Πιστεύουμε ότι μπορούμε τώρα να ανιχνεύσουμε σκοτεινά μποζόνια που διασπώνται σε απόσταση μερικών μέτρων από τον τόπο προέλευσης, κάτι που καλύπτει τα πιο εύλογα σενάρια. Δεν έχει σχεδόν καν σημασία σε τι διασπάται το σκοτεινό μποζόνιο, εφόσον τα σωματίδια της κανονικής ύλης, που θα καταγράψουν οι ανιχνευτές μας, καταλήγουν στα συντρίμμια.
Μέχρι στιγμής, δεν έχουμε βρει τίποτα στα δεδομένα από την πρώτη, χαμηλής ενέργειας λειτουργία του LHC. Αλλά εξακολουθούμε να εργαζόμαστε σε δεδομένα από τη δεύτερη, υψηλότερης ενέργειας σειρά. Με την προσθήκη αυτών των τεχνικών στις υπερσυμμετρικές αναζητήσεις που προηγήθηκαν, έχουμε τώρα μια εξαιρετική ευκαιρία να ανακαλύψουμε τη σκοτεινή ύλη, μια σκοτεινή δύναμη ή και τα δύο. Λαμβάνοντας υπόψη ότι μέχρι στιγμής έχει παραδώσει μόνο το 1 τοις εκατό του συνολικού όγκου δεδομένων που θα παράγει τελικά, η αναζήτηση του LHC για σκοτεινά σωματίδια έχει πραγματικά μόλις ξεκινήσει.
Ο Antonio Boveia είναι καθηγητής φυσικής στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Οχάιο στο Κολόμπους. Αναζητά τη σκοτεινή ύλη και άλλα νέα σωματίδια και δυνάμεις με το πείραμα ATLAS στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων.
Ο Christopher S. Hill είναι καθηγητής φυσικής στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Οχάιο στο Κολόμπους. Το 2012-2013 ήταν αναπληρωτής συντονιστής φυσικής του Πειράματος CMS στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων. Αυτή τη στιγμή είναι ο επιστήμονας του έργου για την Αναβάθμιση CMS HL-LHC των ΗΠΑ.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά τον Φεβρουάριο του 2017 στο Ναυτίλος Κόσμος.
