Un enfoque revolucionario para el Gran Colisionador de Hadrones

Los investigadores están estudiando si las partículas de materia oscura realmente se producen dentro de un chorro de partículas del Modelo Estándar.

La existencia de materia oscura es un misterio de larga data en nuestro universo. La materia oscura constituye aproximadamente una cuarta parte de nuestro universo, pero no interactúa significativamente con la materia normal. La existencia de materia oscura ha sido confirmada por una serie de observaciones astrofísicas y cosmológicas, incluidas recientes impresionantes imágenes tomadas por el telescopio espacial James Webb. Sin embargo, hasta la fecha no se ha informado de ninguna observación experimental de la materia oscura. La existencia de materia oscura ha sido una cuestión que los científicos y astrofísicos de altas energías de todo el mundo han estado investigando durante décadas.

Avances en la investigación de la materia oscura

«Por eso llevamos a cabo investigaciones científicas básicas, para explorar los secretos más profundos del universo. El Gran Colisionador de Hadrones está en CERN «Es el experimento más grande jamás creado, y las colisiones de partículas que crean condiciones similares al Big Bang pueden aprovecharse para buscar signos de materia oscura», dice el profesor Deepak Kar, de la Facultad de Física de la Universidad de Witwatersrand en Johannesburgo. Sudáfrica. .

Una representación gráfica de cómo aparecerían los chorros casi visibles en el detector ATLAS si existieran. Crédito: CERN

Trabajando en el experimento ATLAS en el CERN, Carr y la ex estudiante de doctorado Sukanya Sinha (ahora investigadora postdoctoral en la Universidad de Manchester) idearon una nueva forma de buscar materia oscura. Su investigación fue publicada en la revista, Letras de Física B.

Un nuevo enfoque para detectar la materia oscura

«Ha habido un gran número de búsquedas de materia oscura en el LHC durante las últimas décadas, y se han centrado en partículas masivas que interactúan débilmente, llamadas WIMP», dice Carr. «Los WIMP son una de las clases de partículas que, según la hipótesis, explican la materia oscura porque no absorben ni emiten luz y no interactúan fuertemente con otras partículas. Sin embargo, dado que hasta ahora no se ha encontrado evidencia de la existencia de WIMP, podemos Se dio cuenta de que la búsqueda de materia oscura necesitaba un salto cuántico.

Dr. Sukanya Sinha y profesor Deepak Kar. Crédito: Universidad Wits

«Lo que nos preguntábamos era si las partículas de materia oscura realmente se están produciendo dentro de una corriente de partículas del Modelo Estándar», dijo Carr. Esto llevó al descubrimiento de una nueva firma de detector conocida como chorros casi visibles, que los científicos nunca antes habían observado.

Las colisiones de protones de alta energía a menudo producen pulverizaciones paralelas de partículas, recogidas en los llamados chorros, procedentes de la desintegración de quarks o gluones ordinarios. Los flujos semivisibles pueden surgir cuando los quarks oscuros virtuales se desintegran en parte en quarks del modelo estándar (partículas conocidas) y en parte en hadrones oscuros estables (la «parte invisible»). Debido a que se fabrican en pares, generalmente junto con chorros adicionales del modelo estándar, se produce un desequilibrio de energía o una pérdida de energía en el detector cuando todos los chorros no están perfectamente equilibrados. La dirección de la energía perdida suele corresponder a la de uno de los chorros casi visibles.

Esto dificulta enormemente la búsqueda de chorros casi visibles, ya que esta señal de evento también puede surgir debido a chorros medidos incorrectamente en el detector. El nuevo método de búsqueda de materia oscura de Carr y Sinha abre nuevas direcciones en la búsqueda de la existencia de materia oscura.

«Aunque mi tesis doctoral no contiene ningún descubrimiento sobre la materia oscura, establece los primeros límites bastante estrictos para este modo de producción y ya está inspirando más estudios», afirma Sinha.

La colaboración ATLAS en el CERN ha destacado este como uno de los resultados clave que se anunciarán en las conferencias de verano.

Referencia: “Investigación de la producción no resonante de jets casi visibles utilizando datos de ATLAS Run 2” por The ATLAS Collaboration, 11 de noviembre de 2023, Letras de Física B.
doi: 10.1016/j.physletb.2023.138324

Los experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones en Europa, como el calorímetro ATLAS que se muestra aquí, proporcionan mediciones más precisas de partículas fundamentales. Fuente de la imagen: Maximilian Price, CERN

experiencia atlas

El experimento ATLAS es uno de los esfuerzos científicos más importantes del CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear. Es una parte clave del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más grande y potente del mundo. Ubicado cerca de Ginebra, ATLAS, que significa “A Toroidal LHC ApparatuS”, se centra en explorar aspectos fundamentales de la física.

ATLAS está diseñado para explorar una amplia gama de cuestiones científicas. Busca comprender las fuerzas fundamentales que han dado forma a nuestro mundo desde el principio de los tiempos y que determinarán su destino. Uno de sus objetivos principales es estudiar el bosón de Higgs, la partícula asociada con el campo de Higgs, que da masa a otras partículas. El descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, un esfuerzo conjunto entre ATLAS y el experimento CMS (Compact Muon Solenoid), fue un logro histórico en la física.

El experimento también busca signos de nueva física, incluidos los orígenes de la masa, dimensiones adicionales y partículas que podrían formar la materia oscura. ATLAS hace esto analizando las innumerables partículas producidas cuando los protones chocan a casi la velocidad de la luz dentro del LHC.

El detector ATLAS en sí es una maravilla tecnológica. Es de tamaño enorme, mide unos 45 metros de largo, 25 metros de diámetro y pesa alrededor de 7.000 toneladas. El detector consta de diferentes capas, cada una diseñada para detectar diferentes tipos de partículas resultantes de colisiones protón-protón. Incluye una variedad de tecnologías: trazadores para detectar trayectorias de partículas, calorímetros para medir su energía y espectrómetros de muones para identificar y medir muones, un tipo de electrón pesado que es fundamental para gran parte de la investigación en física.

Los datos recopilados por ATLAS son enormes, a menudo descritos en petabytes. Estos datos son analizados por una comunidad global de científicos, lo que contribuye a nuestra comprensión de la física fundamental y potencialmente conduce a nuevos descubrimientos y tecnologías.