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大型强子对撞机如何帮助我们发现暗物质到底是什么?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2020-10-26 08:48:19

简而言之,大型强子对撞机可以在质子的高能碰撞中寻找暗物质的“缺失能量”特征。

这是什么意思?在大型强子对撞机上寻找暗物质并不是要检测质子碰撞产生了什么,而是要检测缺失了什么。我知道这听起来有点奇怪,但很快就会明白的。

暗物质(根据定义)与普通物质的相互作用非常微弱。这意味着如果暗物质粒子在LHC中产生,它们不会在LHC探测器中沉积任何能量,因此也不会留下直接的“信号”。它们会轻易地飞出探测器而不留下任何痕迹。

这在实践中是如何工作的呢?如果只有暗物质是在大型强子对撞机产生的,我们将永远不会知道它。所以你需要产生暗物质与一个额外的可见物体相关联,它将“标记”碰撞事件。这些通常称为“mono-X”事件(尽管在原则上事件中可能出现多个对象)。

大型强子对撞机如何帮助我们发现暗物质到底是什么?

考虑一下上面的费曼图。它显示了两个质子的碰撞(p),其中一个在一些新的物理相互作用(blob)发生之前发射一个光子或喷流,从而产生暗物质粒子。伴随着大量丢失能量的单个喷射或光子是包含暗物质的事件的潜在候选者。

大型强子对撞机产生暗物质的一个很好的标志就是探测器横平面上总能量和动量的不平衡。当大型强子对撞机碰撞质子束时,质子束在与碰撞轴横向方向上所携带的动量大约为零。这意味着在碰撞后,这个平面上的总动量之和必须再次为零(因为动量是守恒的)。

下面的图片展示了这样的碰撞事件在横向探测器平面上的样子。这些线条和所有指向右上方的东西(大致上)是一个单一的“喷射”(粒子的喷射),表明事件的大部分动量都朝着那个方向。但另一边没有任何东西可以补偿它,这意味着有很多动量丢失了(探测器没有测量它)。产生暗物质的事件可能看起来像这样。

大型强子对撞机如何帮助我们发现暗物质到底是什么?

为什么这一事件不能证明暗物质的探测?

因为在现实中,事情有点复杂。标准模型也可以产生能量缺失很大的事件,最常见的是通过产生中微子。中微子是弱相互作用的粒子,就像假设的暗物质粒子一样,很容易从探测器中逃脱。粒子探测器也不是完美的,系统效应可能会使探测器看起来有很多能量丢失。基本上,有很多方法可以在大型强子对撞机上“伪造”暗物质信号。下面的图显示了一个示例。有许多标准模型过程可以给出大量的能量缺失(彩色直方图)。虚线显示了预期的暗物质信号理论上的样子。

大型强子对撞机如何帮助我们发现暗物质到底是什么?

故事并没有就此结束。重要的是要指出,大型强子对撞机帮助我们发现暗物质的能力取决于我们对暗物质特性的假设。再看看费曼图。它假设在某种(间接)水平上,暗物质与质子相互作用(这意味着它与夸克和胶子相互作用)。这个图表还显示了暗物质是成对产生的,这是一个非常合理的假设,保证了暗物质是稳定的(你通常需要这个来解释与暗物质相关的天体物理异常)。它还假设暗物质能够以足够快的速度产生,使得LHC能够在实验期间收集到足够多的数据来探测到它。

我不能100%保证暗物质一定会这样。我唯一能说的是,这些都是合理的假设。然而,它们确实提供了一个边界,在这个边界内,LHC能够告诉我们一些暗物质的性质。暗物质与普通物质的相互作用强度可能非常小,以至于大型强子对撞机需要运行更长的时间才能探测到一个信号。暗物质也完全不能与夸克和胶子相互作用。原则上,它只能通过引力相互作用,在这种情况下,我们将需要很长时间才能探测到暗物质粒子的信号!

大型强子对撞机也不是探测暗物质的理想工具。如果在大型强子对撞机上发现了与暗物质假说相一致的具有统计意义的、丢失了大量能量的信号,它也不会是一个“确凿的”信号。LHC将能够给我们一些关于相互作用强度的大概估计,也许是暗物质的质量等等,但是我们需要从非对撞机实验中进行第二次(第三次、第四次)观察,这要与LHC的观察结果一致。
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