在寻找暗物质方面开辟新天地
在寻找暗物质方面开辟新天地
夏侯之菲导读大型强子对撞机(LHC)以寻找和发现希格斯玻色子而闻名，寻找但是暗物自从该机器以比以前在粒子加速器上获得的更高的能量碰撞质子以来，十年来，质方研究大型强子对撞机(LHC)以寻找和发现希格斯玻色子而闻名，面开但是辟新自从该机器以比以前在粒子加速器上获得的更高的能量碰撞质子以来，十年来，天地研究人员一直在使用它来尝试寻找一个同样令人兴奋的寻找粒子：一种可能构成一种看不见的物质形式的假想粒子，称为暗物质，暗物它比普通物质普遍存在五倍，质方没有它，面开就不会有我们所知的辟新宇宙。迄今为止，天地大型强子对撞机暗物质搜索和非对撞机搜索都是寻找空手而归的，但是暗物大型强子对撞机研究人员为发现它而付出的不可思议的工作和技巧使他们缩小了许多可能存在粒子的区域隐藏的-发现路径上的必要里程碑。
加州大学欧文分校的质方暗物质理论家蒂姆·泰特(Tim Tait)和LHC暗物质工作组的理论联合召集人说：“在LHC之前，暗物质的可能性空间比今天要宽得多。”
“大型强子对撞机确实以弱相互作用的大颗粒形式寻找暗物质方面开辟了新天地，它涵盖了由暗物质产生或介导其与普通物质相互作用的粒子产生所预测的各种潜在信号。所有观察到的结果都与不包含暗物质的模型一致，并为我们提供了有关哪些种类的颗粒不再能解释它的重要信息，这些结果都为实验学家们指明了寻找新方法的方向。暗物质，并促使理论家重新思考现有的想法，以解决暗物质可能的问题，并在某些情况下提出新的想法。”
制造它，打破它并摇动它
为了寻找暗物质，实验本质上是“制造，破碎或摇动它”。大型强子对撞机一直试图通过碰撞质子束来制造它。一些实验正在太空和地面上使用望远镜，以寻找暗物质粒子在太空中碰撞并自行破裂时产生的间接信号。其他人仍在通过寻找它们给地下探测器中原子核提供的反冲或“震动”而直接追逐这些难以捉摸的粒子。
制作方法是攻破和抖动实验的补充，如果大型强子对撞机检测到潜在的暗物质粒子，则需要从其他实验中进行确认，以证明它确实是暗物质粒子。相反，如果直接和间接实验检测到来自暗物质粒子相互作用的信号，则可以将LHC的实验设计为研究这种相互作用的细节。
动量信号丢失和颠簸搜寻
那么，大型强子对撞机如何寻找质子碰撞中产生暗物质的迹象?在这种碰撞中暗物质粒子的存在的主要特征是所谓的横向动量缺失。为了寻找这种特征，研究人员将LHC检测器可以看到的粒子的动量加起来(更准确地说是与碰撞的质子束成直角的动量)，并确定在碰撞前达到总动量所需的任何缺失动量。总动量应为零，因为质子在碰撞之前会沿着光束的方向行进。但是，如果碰撞后的总动量不为零，则可能由于未被检测到的暗物质粒子带走了使其变为零所需的缺失动量。
缺少动力是大型强子对撞机的两种主要搜索类型的基础。一种类型是由所谓的全新物理模型(例如超对称(SUSY)模型)指导的。在SUSY模型中，由粒子物理学的标准模型描述的已知粒子具有超对称的伙伴粒子，该粒子具有称为自旋的量子性质，与对方的量子性质相差一半单位。另外，在许多SUSY模型中，最轻的超对称粒子是弱相互作用的块状粒子(WIMP)。WIMP是暗物质最吸引人的候选者之一，因为它们可以在宇宙中产生当前大量的暗物质。针对SUSY WIMP的搜索会从一对暗物质粒子以及称为“轻子”的粒子和/或粒子的喷雾或“喷射”中寻找缺失的动量。
另一种涉及缺少动量信号的搜索由简化的模型指导，简化的模型包括类似于WIMP的暗物质粒子和与已知普通粒子相互作用的介体粒子。介体可以是已知粒子(例如Z玻色子或希格斯玻色子)，也可以是未知粒子。近年来，这些模型非常引人注目，因为它们非常简单但本质上是完整的(完整的模型是特定的，因此范围更窄)，它们可以用作比较大型强子对撞机和非对撞机黑暗探测器的结果的基准物质实验。除了缺少一对暗物质粒子的动量之外，第二种搜索还寻找至少一个高能物体，例如粒子射流或光子。
在简化模型的上下文中，存在丢失动量搜索的替代方法，即不寻找暗物质粒子，而是通过将其转换或“衰减”为普通粒子来寻找介体粒子。这种方法在碰撞数据中的平滑事件背景上寻找颠簸，例如在具有两个喷嘴或两个轻子的事件的质量分布中出现颠簸。
缩小WIMP领域
通过这些WIMP搜索，LHC实验获得了哪些结果?简短的答案是他们还没有发现WIMP暗物质的迹象。更长的答案是，它们排除了理论上的WIMP区域的大部分，并对暗物质粒子和介体粒子的性质(例如它们的质量以及与其他粒子的相互作用强度)的允许值设置了严格的限制。ATLAS实验合作成员Caterina Doglioni总结了LHC实验的结果后说：“我们已经完成了许多专门的搜索，以寻找涉及暗物质的过程中会出现的不可见粒子和可见粒子，并且我们对这些搜索结果进行了解释。从简化模型到SUSY模型，都是许多不同的WIMP黑暗情况的术语。这项工作得益于实验家和理论家之间的合作，例如在LHC暗物质工作组(LHC DM WG)等讨论平台上，其中包括理论家和来自ATLAS，CMS和LHCb合作的代表。将LHC结果放在包括直接和间接检测实验在内的全球WIMP搜索中也成为了黑暗问题社区的讨论重点，并且迄今为止，有关如何最佳利用不同实验之间的协同作用的讨论仍在继续。具有寻找暗物质的相同科学目标。” CMS和LHCb合作。将LHC结果放在包括直接和间接检测实验在内的全球WIMP搜索中也成为了黑暗问题社区的讨论重点，并且迄今为止，有关如何最佳利用不同实验之间的协同作用的讨论仍在继续。具有寻找暗物质的相同科学目标。” CMS和LHCb合作。将LHC结果放在包括直接和间接检测实验在内的全球WIMP搜索中也成为了黑暗问题社区的讨论重点，并且迄今为止，有关如何最佳利用不同实验之间的协同作用的讨论仍在继续。具有寻找暗物质的相同科学目标。”
LHC Dark Matter WG的ATLAS实验共同召集人Priscilla Pani给出了一个使用ATLAS实验数据获得的结果的特定示例，重点介绍了该合作伙伴最近如何从机器的第二次运行(运行2)中搜索了完整的LHC数据集，收集于2015年至2018年之间，以寻找希格斯玻色子可能衰变为暗物质粒子的实例。帕尼说：“我们没有发现这种衰变的情况，但是我们能够设定迄今为止最强的极限。”
大型强子对撞机暗物质工作组的CMS实验共同召集人Phil Harris着重强调了寻找衰变成两个射流的暗物质介体的搜索，例如最近基于运行2数据的CMS搜索。
哈里斯说：“这些所谓的双射流搜索功能非常强大，因为它们可以探测多种介体质量和相互作用强度。”
LHC Dark Matter WG的LHCb实验共同召集人Xabier Cid Vidal进而注意到运行1和运行2中有关称为Bs介子的粒子衰变的数据如何使LHCb合作对SUSY模型设置了严格的限制其中包括WIMP。“ Bs介子变成两个μ子的衰减对SUSY粒子(例如SUSY WIMP)非常敏感，因为如果SUSY粒子发生衰减，则衰减发生的频率可能与标准模型所预测的频率非常不同，即使它们的质量为太高而无法在大型强子对撞机直接检测到，会干扰衰减。”西德·维达尔(Cid Vidal)说。
撒网
“十年前，在大型强子对撞机及以后的实验中，人们一直在寻找质量高于质子质量(1 GeV)且低于几TeV的暗物质粒子。也就是说，它们的目标是经典的WIMP，例如SUSY预测的“快进10年了，暗物质实验正在寻找质量低至1 MeV到100 TeV的WIMP类粒子。” Tait说道。“而且，诸如大型强子对撞机等搜索的无效结果激发了许多其他关于暗物质性质的可能解释，从质量低至10-22 eV的粒子构成的模糊暗物质到质量等效的原始黑洞鉴于此，暗物质社区已开始建立更广阔的网络，以探索更大的可能性。”
在对撞机方面，大型强子对撞机研究人员已开始研究其中的一些新可能性。例如，他们开始研究以下假设：暗物质是具有几种新型暗粒子的较大暗区的一部分。这些暗区粒子可以包括与光子等效的暗物质，暗光子，该暗光子将与其他暗区粒子以及已知粒子以及长寿命粒子(也由SUSY模型预测)相互作用。
Doglioni说：“暗区场景提供了一组新的实验特征，这是LHC物理学家的新乐园。”
“我们现在正在扩展我们熟悉的实验方法，因此我们可以尝试捕获隐藏在大背景中的稀有和异常信号。此外，许多其他当前和计划中的实验还针对比WIMP更弱相互作用的暗区和粒子这些研究中的一些，例如新批准的FASER实验，与主要的LHC实验共享知识，技术甚至促进剂复合物，它们将补充LHC搜索非WIMP暗物质的范围，如CERN所示超越碰撞物理的倡议。”
最后，大型强子对撞机研究人员仍在研究运行2的数据，到目前为止，从运行1和运行2收集的数据仅约占实验记录总数的5%。考虑到这一点，以及迄今为止从许多大型强子对撞机分析中获得的大量知识，大型强子对撞机在未来十年内发现暗物质的可能性很大。哈里斯说：“这是事实，我们还没有找到它，而且我们有可能在不远的将来找到它，这使我对自己的工作感到兴奋。” Cid Vidal说：“最近10年向我们表明，暗物质可能与我们最初认为的有所不同，但这并不意味着我们找不到它。”
帕尼说：“无论大小，我们需要多长时间，我们都将坚定不移。”