'S Werelds grootste atoomvernietiger verliest mogelijk zijn donkere materie. Maar natuurkundigen krijgen een duidelijker beeld van hoe die verloren donkere materie eruit zou kunnen zien - als die er al is.
ATLAS, de detector van zeer grote deeltjes bij de in Genève gevestigde Large Hadron Collider (LHC), staat vooral bekend om het ontdekken van het Higgs-deeltje in 2012. Nu is het op jacht gegaan naar nog meer exotische deeltjes - inclusief theoretische "supersymmetrische" "deeltjes, of partnerdeeltjes van alle bekende deeltjes in het heelal.
Als supersymmetrie echt is, kunnen sommige van die deeltjes de ongeziene donkere materie die zich over ons universum verspreidt, verklaren. Nu hebben een paar resultaten gepresenteerd op een ATLAS-conferentie in maart de meest nauwkeurige beschrijving tot nu toe gegeven van hoe die hypothetische deeltjes eruit zouden moeten zien.
Onzichtbare kwestie
Laten we een back-up maken.
Donkere materie is het ongeziene dat het grootste deel van het universum kan uitmaken. Er zijn een aantal redenen om te vermoeden dat het bestaat, ook al kan niemand het zien. Maar hier is de meest voor de hand liggende: sterrenstelsels bestaan.
Als we ons universum rondkijken, kunnen onderzoekers zien dat sterrenstelsels niet massief genoeg lijken om zichzelf te binden aan de zwaartekracht van hun zichtbare sterren en andere gewone materie. Als het spul dat we konden zien alles was, zouden die sterrenstelsels uit elkaar drijven. Dat suggereert dat sommige onzichtbare donkere materie in sterrenstelsels is geclusterd en ze samenhoudt met de zwaartekracht.
Maar geen van de bekende deeltjes kan het kosmische web van sterrenstelsels verklaren. Dus de meeste natuurkundigen gaan ervan uit dat er iets anders is, een soort deeltje (of deeltjes) dat we nog nooit hebben gezien, dat al die donkere materie vormt.
Experimentele natuurkundigen hebben veel detectoren gebouwd om op ze te jagen.
Deze experimenten werken op verschillende manieren, maar in wezen komen er veel neer op het plaatsen van een groot stuk spullen in een zeer donkere kamer en het heel zorgvuldig bekijken. Uiteindelijk, zo luidt de theorie, zal een deeltje donkere materie in het grote stuk spul slaan en ervoor zorgen dat het glinstert. En afhankelijk van de aard van het spul en de glinstering, zullen natuurkundigen leren hoe het donkere materiedeeltje eruit zag.
ATLAS kiest de tegenovergestelde benadering, op zoek naar deeltjes van donkere materie op een van de helderste plekken op aarde. De LHC is een hele grote machine die met ongelooflijk hoge snelheden deeltjes in elkaar slaat. In de kilometerslange buizen is een soort voortdurende explosie van nieuwe deeltjes gevormd tijdens die botsingen. Toen ATLAS het Higgs-boson ontdekte, zag het een stel Higgs-bosonen die feitelijk door de LHC waren gemaakt.
Sommige theoretici denken dat de LHC mogelijk ook specifieke soorten donkere materiedeeltjes creëert: supersymmetrische partners van bekende deeltjes. Het woord "supersymmetrie" verwijst naar een theorie dat veel van de bekende deeltjes in de natuurkunde "partners" hebben ontdekt die veel moeilijker te detecteren zijn. Deze theorie is niet bewezen, maar als het waar was, zou het veel van de rommelige vergelijkingen die momenteel de deeltjesfysica beheersen, vereenvoudigen.
Het is ook mogelijk dat supersymmetrische deeltjes met de juiste eigenschappen een deel of alle ontbrekende donkere materie in het universum kunnen verklaren. En als ze bij de LHC worden gemaakt, zou ATLAS het moeten kunnen bewijzen.
De jacht op supersymmetrische deeltjes
Maar er is een probleem. Natuurkundigen zijn er steeds meer van overtuigd dat als die supersymmetrische deeltjes worden gemaakt bij de LHC, ze uit de detector vliegen voordat ze vervallen. Dat is een probleem, zoals WordsSideKick.com eerder heeft gemeld, omdat ATLAS exotische supersymmetrische deeltjes niet direct detecteert, maar in plaats daarvan de meer algemene deeltjes ziet waarnaar supersymmetrische deeltjes transformeren nadat ze zijn vervallen ... Als supersymmetrische deeltjes uit de LHC schieten voordat ze vervallen, Maar ATLAS kan die handtekening niet zien, dus bedachten de onderzoekers een creatief alternatief: jagen, met behulp van statistieken van miljoenen deeltjesbotsingen in de LHC, als bewijs dat er nog iets ontbreekt.
'Hun aanwezigheid kan alleen worden afgeleid uit de omvang van het ontbrekende transversale momentum van de botsing', aldus de onderzoekers in een verklaring.
Het nauwkeurig meten van het ontbrekende momentum is echter een moeilijke taak.
"In de dichte omgeving van talloze overlappende botsingen veroorzaakt door de LHC, kan het moeilijk zijn om echt van nep te scheiden" momentum, aldus de onderzoekers ...
Tot dusver heeft die jacht niets opgeleverd. Maar dat is nuttige informatie. Telkens wanneer een bepaald experiment met donkere materie mislukt, geeft het onderzoekers informatie over hoe donkere materie er niet uitziet. Natuurkundigen noemen dit vernauwingsproces donkere materie.
Die twee resultaten van maart, gebaseerd op die statistische jacht op ontbrekend momentum, laten zien dat als bepaalde supersymmetrische kandidaten voor donkere materie (genaamd charginos, sleptons en supersymmetrische bottom-quarks) bestaan, ze bepaalde kenmerken moeten hebben die ATLAS nog niet heeft uitgesloten.
Als de huidige supersymmetrische modellen correct zijn, moet een paar chargino's minstens 447 keer de massa van een proton zijn, en een paar sleptons moet minstens 746 keer de massa van een proton zijn.
Evenzo zou, op basis van de huidige modellen, de supersymmetrische onderste quark minstens 1.545 keer de massa van een proton moeten zijn.
ATLAS is al klaar met zoeken naar meer lichtgewicht chargino's, slepenons en bottom quarks. En de onderzoekers zeiden dat ze er 95% van overtuigd zijn dat ze niet bestaan.
In sommige opzichten lijkt de jacht op donkere materie voortdurend nulresultaten op te leveren, wat teleurstellend kan zijn. Maar deze natuurkundigen blijven optimistisch.
Deze resultaten, zeiden ze in een verklaring, "leggen sterke beperkingen op aan belangrijke supersymmetrische scenario's, die toekomstige ATLAS-zoekopdrachten zullen begeleiden."
Als gevolg hiervan heeft ATLAS nu een nieuwe methode voor het jagen op donkere materie en supersymmetrie. Het is gewoon nog niet gebeurd om donkere materie of supersymmetrie te vinden.
