Ein revolutionärer Ansatz für den Large Hadron Collider

Forscher untersuchen, ob in einem Strahl aus Standardmodellteilchen tatsächlich Teilchen der Dunklen Materie entstehen.

Die Existenz dunkler Materie ist in unserem Universum ein seit langem bestehendes Rätsel. Dunkle Materie macht etwa ein Viertel unseres Universums aus, interagiert jedoch nicht wesentlich mit normaler Materie. Die Existenz dunkler Materie wurde durch eine Reihe astrophysikalischer und kosmologischer Beobachtungen bestätigt, darunter aktuelle atemberaubende Bilder des James Webb-Weltraumteleskops. Bisher wurde jedoch keine experimentelle Beobachtung dunkler Materie gemeldet. Die Existenz dunkler Materie ist eine Frage, die Hochenergiewissenschaftler und Astrophysiker auf der ganzen Welt seit Jahrzehnten untersuchen.

Fortschritte in der Erforschung der Dunklen Materie

„Deshalb betreiben wir Grundlagenforschung, um die tiefsten Geheimnisse des Universums zu erforschen. Der Large Hadron Collider ist in Betrieb.“ CERN „Es ist das größte Experiment, das jemals durchgeführt wurde, und Teilchenkollisionen, die urknallähnliche Bedingungen erzeugen, können genutzt werden, um nach Anzeichen dunkler Materie zu suchen“, sagt Professor Deepak Kar von der School of Physics der University of the Witwatersrand in Johannesburg. Südafrika. .

Eine grafische Darstellung, wie nahezu sichtbare Jets im ATLAS-Detektor erscheinen würden, wenn sie existieren würden. Bildnachweis: CERN

Im Rahmen des ATLAS-Experiments am CERN entwickelten Carr und die ehemalige Doktorandin Sukanya Sinha (jetzt Postdoktorandin an der Universität Manchester) eine neue Methode zur Suche nach Dunkler Materie. Ihre Forschung wurde in der Zeitschrift veröffentlicht, Physikbriefe B.

Ein neuer Ansatz zur Entdeckung dunkler Materie

„In den vergangenen Jahrzehnten gab es am LHC zahlreiche Suchen nach Dunkler Materie, wobei der Schwerpunkt auf schwach wechselwirkenden massiven Teilchen, sogenannten WIMPs, lag“, sagt Carr. „WIMPS sind eine der Teilchenklassen, die vermutlich die dunkle Materie erklären, weil sie kein Licht absorbieren oder emittieren und nicht stark mit anderen Teilchen interagieren. Da jedoch bisher keine Beweise für die Existenz von WIMPs gefunden wurden, haben wir erkannte, dass die Suche nach dunkler Materie einen Quantensprung erforderte.

Dr. Sukanya Sinha und Professor Deepak Kar. Bildnachweis: Wits University

„Wir haben uns gefragt, ob tatsächlich Teilchen der Dunklen Materie in einem Strom von Teilchen des Standardmodells erzeugt werden“, sagte Carr. Dies führte zur Entdeckung einer neuen Detektorsignatur, der so genannten Near-Visible Jets, die Wissenschaftler noch nie zuvor untersucht hatten.

Hochenergetische Protonenkollisionen erzeugen oft parallele Partikelsprays, die beim Zerfall gewöhnlicher Quarks oder Gluonen in sogenannten Jets gesammelt werden. Halbsichtbare Flüsse können entstehen, wenn virtuelle dunkle Quarks teilweise in Standardmodell-Quarks (bekannte Teilchen) und teilweise in stabile dunkle Hadronen (der „unsichtbare Teil“) zerfallen. Da sie paarweise erzeugt werden, normalerweise zusammen mit zusätzlichen Standardmodelldüsen, kommt es zu einem Energieungleichgewicht oder Energieverlust im Detektor, wenn nicht alle Düsen perfekt ausbalanciert sind. Die Richtung der verlorenen Energie entspricht oft einem der nahezu sichtbaren Jets.

Dies macht die Suche nach nahe sichtbaren Jets sehr schwierig, da diese Ereignissignatur auch durch falsch gemessene Jets am Detektor entstehen kann. Die neue Methode von Carr und Sinha zur Suche nach dunkler Materie eröffnet neue Wege bei der Suche nach der Existenz dunkler Materie.

„Obwohl meine Doktorarbeit keine Entdeckung der Dunklen Materie enthält, setzt sie die ersten und ziemlich strengen Obergrenzen für diese Produktionsweise und inspiriert bereits zu weiteren Studien“, sagt Sinha.

Die ATLAS-Zusammenarbeit am CERN hat dies als eines der wichtigsten Ergebnisse hervorgehoben, die auf den Sommerkonferenzen bekannt gegeben werden sollen.

Referenz: „Untersuchung der nichtresonanten Produktion von nahezu sichtbaren Jets mithilfe von ATLAS Run 2-Daten“ von The ATLAS Collaboration, 11. November 2023, Physikbriefe B.
doi: 10.1016/j.physletb.2023.138324

Experimente am Large Hadron Collider in Europa, wie das hier gezeigte ATLAS-Kalorimeter, liefern genauere Messungen fundamentaler Teilchen. Bildquelle: Maximilian Price, CERN

Atlas-Erlebnis

Das ATLAS-Experiment ist eines der wichtigsten wissenschaftlichen Vorhaben am CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung. Es ist ein wichtiger Teil des Large Hadron Collider (LHC), dem größten und leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt. In der Nähe von Genf gelegen, konzentriert sich ATLAS, was für „A Toroidal LHC ApparatuS“ steht, auf die Erforschung grundlegender Aspekte der Physik.

ATLAS soll ein breites Spektrum wissenschaftlicher Fragestellungen untersuchen. Es geht darum, die grundlegenden Kräfte zu verstehen, die unsere Welt seit Anbeginn der Zeit geprägt haben und ihr Schicksal bestimmen werden. Eines seiner Hauptziele ist die Untersuchung des Higgs-Bosons, des Teilchens, das mit dem Higgs-Feld verbunden ist und anderen Teilchen ihre Masse verleiht. Die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012, eine gemeinsame Anstrengung von ATLAS und dem CMS-Experiment (Compact Muon Solenoid), war ein Meilenstein in der Physik.

Das Experiment sucht auch nach Anzeichen neuer Physik, einschließlich der Ursprünge von Masse, zusätzlichen Dimensionen und Teilchen, aus denen die Dunkle Materie bestehen könnte. ATLAS analysiert dazu die unzähligen Teilchen, die entstehen, wenn Protonen im LHC mit nahezu Lichtgeschwindigkeit kollidieren.

Der ATLAS-Detektor selbst ist ein technologisches Wunderwerk. Mit einer Länge von etwa 45 Metern, einem Durchmesser von 25 Metern und einem Gewicht von etwa 7.000 Tonnen ist es riesig. Der Detektor besteht aus verschiedenen Schichten, die jeweils darauf ausgelegt sind, unterschiedliche Arten von Teilchen zu erkennen, die bei Proton-Proton-Kollisionen entstehen. Es umfasst eine Reihe von Technologien: Tracer zur Erkennung der Flugbahnen von Teilchen, Kalorimeter zur Messung ihrer Energie und Myonenspektrometer zur Identifizierung und Messung von Myonen, einer Art schwerer Elektronen, die für viele physikalische Forschungen von grundlegender Bedeutung sind.

Die von ATLAS gesammelten Daten sind enorm und werden oft in Petabytes beschrieben. Diese Daten werden von einer globalen Gemeinschaft von Wissenschaftlern analysiert, was zu unserem Verständnis der Grundlagenphysik beiträgt und möglicherweise zu neuen Entdeckungen und Technologien führt.