Nachdem Wissenschaftler das Higgs-Boson gefunden haben, wird der Large Hadron Collider nach einem noch schwer fassbaren Ziel suchen: der Dunklen Materie. Wir sind umgeben von dunkler Materie und dunkler Energie - unsichtbaren Substanzen, die Galaxien binden, sich aber nicht selbst verraten. Die neue Arbeit beschreibt eine innovative Methode zur Suche nach dunkler Materie durch den Large Hadron Collider unter Ausnutzung der relativ langsamen Geschwindigkeit eines potenziellen Teilchens.
Die dunkle Welt der dunklen Materie
„Wir wissen mit Sicherheit, dass es eine dunkle Welt gibt und mehr Energie darin als in unserer“, sagt Lien-Tao Wong, ein Physikprofessor an der Universität von Chicago, der die Signalsuche in großen Teilchenbeschleunigern wie dem LHC erforscht. Die Arbeit wurde in Physical Review Letters veröffentlicht.
Obwohl die dunkle Welt mehr als 95% des Universums ausmacht, kennen Wissenschaftler ihre Existenz nur aus den Auswirkungen, die sie hat - wie ein Poltergeist, der nur sichtbar ist, wenn sich etwas in einem Regal bewegt oder wenn ein Licht blinkt. Zum Beispiel wissen wir über die Existenz der Dunklen Materie Bescheid, weil wir ihren Gravitationseffekt sehen - sie hilft unseren Galaxien, nicht auseinander zu fliegen.
Theoretiker glauben, dass es eine spezielle Art von dunklen Teilchen gibt, die zeitweise mit gewöhnlicher Materie interagieren können. Es ist schwerer und hält länger als andere bekannte Partikel - bis zu einer Zehntelsekunde. Laut Wissenschaftlern kann ein solches Teilchen mehrmals in einem Jahrzehnt bei Protonenkollisionen am LHC gefangen werden, die auftreten und ständig gemessen werden.
"Eine besonders interessante Möglichkeit ist, dass diese langlebigen dunklen Teilchen irgendwie mit dem Higgs-Boson verwandt sind - dass das Higgs tatsächlich ein Portal zur dunklen Welt ist", sagt Wong und bezieht sich auf die letzten Teilchenphysiker, die in der großen Theorie der Funktionsweise des Universums entdeckt wurden. … Das Higgs-Boson wurde 2012 am LHC entdeckt. "Vielleicht können die Higgs tatsächlich in diese langlebigen Teilchen zerfallen."
Das einzige Problem besteht darin, diese Ereignisse vom Rest zu trennen. Auf dem 27 Kilometer langen LHC gibt es mehr als eine Milliarde Kollisionen pro Sekunde, von denen jede subatomare Sprays in alle Richtungen aussendet.
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Wissenschaftler haben eine neue Suchmethode vorgeschlagen, die einen bestimmten Aspekt eines solchen dunklen Teilchens verwendet. "Wenn es so schwer ist, benötigt es Energie, um zu produzieren, so dass der Impuls nicht groß wird - es bewegt sich langsamer als die Lichtgeschwindigkeit", sagt Jia Liu, der Erstautor der Studie.
Diese Zeitverzögerung hebt es von den übrigen Partikeln ab. Wissenschaftler müssen nur das System optimieren, um die Partikel zu finden, die es produziert. Der Unterschied liegt im Bereich einer Nanosekunde - einer Milliardstel Sekunde - oder weniger. Der LHC verfügt jedoch bereits über ausreichend intelligente Detektoren, um diesen Unterschied zu erkennen. Eine kürzlich durchgeführte Studie mit Daten, die beim letzten Start des Colliders gesammelt wurden, hat gezeigt, dass diese Methode funktionieren sollte. Außerdem werden die Detektoren mit dem bevorstehenden Upgrade noch empfindlicher.
„Wir erwarten, dass diese Methode unsere Empfindlichkeit gegenüber langlebigen dunklen Partikeln um mehrere Größenordnungen erhöht - und gleichzeitig die Fähigkeiten des LHC nutzt“, sagt Liu. Experimentatoren arbeiten bereits daran, eine Falle zu schaffen. Wenn der LHC 2021 nach einer 10-fachen Erhöhung der Leuchtkraft wieder eingeschaltet wird, werden alle drei Hauptdetektoren mit einem neuen System ausgestattet.
„Wir glauben, dass es ein großes Potenzial für Entdeckungen gibt. Wenn es ein Teilchen gibt, können wir es extrahieren."
Ilya Khel
