Τα όρια του ATLAS στη Σκοτεινή Ύλη

Η σύμπραξη του ATLAS δημοσίευσε την προηγούμενη εβδομάδα τα αποτελέσματα μιας έρευνας για τα σωματίδια σκοτεινής ύλης που πιθανόν παράγονται μαζί με μποζόνια W ή Ζ. Η έρευνα αυτή βασίστηκε σε συγκρούσεις πρωτονίων ενέργειας 8-TeV που συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του LHC το 2012. Η έρευνα χρησιμοποιεί παρόμοιες τεχνικές με αυτές που έχω περιγράψει εδώ σε πρόσφατα άρθρα όπου αναφέρομαι σε αποτελέσματα του CMS σχετικά με διάφορες πειραματικές υπογραφές (signatures) οι οποίες αποτελούν ενδείξεις νέας φυσικής, και θεώρησα πως θα ήταν ενδιαφέρον να κάνω μία ανασκόπηση της εδώ.

Το ATLAS, όπως και το CMS, είναι ένας ανιχνευτής σωματιδίων «πολλαπλών χρήσεων» που λειτουργεί στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN, μία εγκατάσταση η οποία παράγει τις υψηλότερης ενέργειας συγκρούσεις πρωτονίων που επετεύχθησαν ποτέ (μέχρι σήμερα). Στον LHC, πρωτόνια επιταχύνονται περνώντας χιλιάδες φορές μέσα από ηλεκτρικά πεδία, ενώ οι πορείες τους καμπυλώνονται από πολύ ισχυρά μαγνητικά πεδία έτσι ώστε να παραμένουν στην ορθή περιφορά εντός του κυκλικού επιταχυντή. Και μετά…μπαμ! Συγκρούονται με άλλα πρωτόνια που κινούνται αντίθετα με την ίδια ενέργεια.

Θα προσέξατε πως είπα «με την ίδια ενέργεια» και όχι «με την ίδια ταχύτητα». Θα μπορούσα να είχα επιλέξει αυτό, αλλά η αλήθεια είναι πως από τη στιγμή που επιταχύνεις ένα πρωτόνιο δίνοντας του ενέργεια αισθητά μεγαλύτερη από τη μάζα ηρεμίας του, η ταχύτητα του δεν μπορεί να αυξηθεί περαιτέρω: φτάνει ασυμπτωτικά την ταχύτητα του φωτός στο κενό. Λόγω αυτού, οι φυσικοί καυχώνται για τον ανιχνευτή τους αναφέροντας πόσο υψηλή είναι η ενέργεια που προσδίδει στα συγκρουόμενα σωματίδια, και όχι μιλώντας για την ταχύτητα τους- η τελευταία είναι κατά κανόνα ίση με την ταχύτητα του φωτός, ή σχεδόν ίση με πάρα πολύ μικρή διαφορά.

Η Σκοτεινή Ύλη σαν σωματίδιο

Όπως και να χει, γιατί θα έψαχνε κανείς για σκοτεινή ύλη στα υπολείμματα των συγκρούσεων πρωτονίων υψηλής ενέργειας; Για να δώσουμε απάντηση σε αυτήν την ερώτηση πρέπει πρωτίστως να καταλάβουμε από τι πιστεύουμε πως αποτελείται η σκοτεινή ύλη και πως θα μπορούσαμε να την εντοπίσουμε σε άλλου είδους πειράματα.

Υπάρχουν σοβαροί λόγοι να πιστεύουμε πως η λεγόμενη σκοτεινή ύλη απαρτίζεται από κάποιο ηλεκτρικά ουδέτερο, βαρύ σωματίδιο που παράχθηκε σε αφθονία, μαζί με το αντισωματίδιο του, κατά τις πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αφότου η πυκνότητα μάζας στο σύμπαν έγινε αρκετά μικρή, ώστε η εξαΰλωση σωματιδίων- αντισωματιδίων σταμάτησε, τα σωματίδια σκοτεινής ύλης βρήκαν ελεύθερο πεδίο για να περιπλανηθούν και εν τέλει να γεμίσουν το ορατό σύμπαν. Εάν τα σωματίδια αυτά είναι τόσο ευσταθή όσο ας πούμε το πρωτόνιο, τότε παραμένουν γύρω μας, 13.5 δισεκατομμύρια χρόνια μετά την στιγμή της δημιουργίας τους. Εάν επιπλέον δεν αλληλεπιδρούν με τον ατομικό πυρήνα μέσω της ισχυρής αλληλεπίδρασης (η δύναμη που διατηρεί τον πυρήνα), τότε υπάρχει μία πιθανότητα τα σωματίδια αυτά να είναι παντού γύρω μας τόσο καιρό και να μην το έχουμε καταλάβει!

Υποθέτοντας πως η σκοτεινή ύλη απαρτίζεται από αυτά τα βαριά ουδέτερα σωμάτια, συμπεραίνουμε πως η Γη, κινούμενη με 40 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, θα πρέπει να χτυπιέται διαρκώς από έναν «άνεμο» τέτοιων σωματιδίων. Και αυτός είναι ο λόγος που τοποθετούμε έναν αριθμό ωραίων και με μεγάλη ακρίβεια κατασκευασμένων οργάνων σε σπηλιές βαθιά κάτω από τη Γη, τα οποία προσπαθούν να εντοπίσουν αυτόν τον άνεμο παρατηρώντας την ανάκρουση (recoil) του πυρήνα καθώς σωματίδια σκοτεινής ύλης αναπηδούν σε αυτόν (μέσω της ασθενούς αλληλεπιδράσεως). Αυτά τα πειράματα έχουν έως τώρα καταφέρει μόνο να θέσουν όρια ως προς την ισχύ της αλληλεπίδρασης της σκοτεινής ύλης με τον πυρήνα.

Τα πειράματα αυτού του είδους είναι μια καλή ιδέα, αλλά υπάρχουν και άλλοι πιθανοί τρόποι για να λύσουμε το μυστήριο. Και, μάλιστα, υπάρχει μία πολύ σημαντική ένδειξη που θα πρέπει να λάβουμε υπόψιν.

Χρησιμοποιώντας αποδεκτά, επί του παρόντος, μοντέλα της διαστολής του σύμπαντος μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, οι κοσμολόγοι μπορούν να υπολογίσουν τον αριθμό των σωματιδίων σκοτεινής ύλης που θα είχε παραχθεί αρχικώς. Αυτός ο αριθμός εξαρτάται από τις ιδιότητες αλληλεπίδρασης των σωματιδίων αυτών και τη μάζα τους.  Έτσι, λοιπόν, καταλήγουμε πως ένα ασθενώς αλληλεπιδρών σωματίδιο με μάζα περί τα 100 GeV θα βρισκόταν σε αφθονία σήμερα στο σύμπαν, και το ποσοστό της συνολικής μάζας του σύμπαντος που θα του αναλογούσε, ταιριάζει με αυτό που αποδίδουμε στη σκοτεινή ύλη. Με άλλα λόγια, η υπόθεση πως η σκοτεινή ύλη απαρτίζεται από κάποια ασθενώς αλληλεπιδρώντα ουδέτερα σωματίδια -κατάλοιπα της Μεγάλης Έκρηξης- μας οδηγεί στο να τους προσδώσουμε μία μάζα περί τα 100 GeV. Τα 100 GeV είναι μάλιστα μία πολύ ιδιαίτερη ενέργεια – είναι εκεί όπου σπάει η ηλεκτρασθενής συμμετρία (electroweak symmetry) και εκεί όπου πιστεύεται πως βρίσκονται τα σωματίδια της SUSY…

Ένα σωματίδιο με τα παραπάνω χαρακτηριστικά είναι ένας στόχος για τα πειράματα του LHC: θα πρέπει να είναι δυνατόν να παράγουμε και να εντοπίσουμε τέτοια σωματίδια μέσω συγκρούσεων πρωτονίων. Αυτό είναι που προσπάθησε να κάνει το ATLAS με τα δεδομένα που συνέλεξε το 2012.

Υπάρχει και μία λεπτομέρεια που θα πρέπει όμως να λάβουμε υπόψιν: ένα ουδέτερο σωμάτιο που αλληλεπιδρά μόνο ασθενώς με την ύλη του πυρήνα και που είναι όσο ευσταθές όσο το πρωτόνιο δεν μπορεί να εντοπισθεί άμεσα σε έναν ανιχνευτή σωματιδίων! Αυτό συμβαίνει επειδή ένα τέτοιο σωματίδιο μπορεί να διασχίσει τον ανιχνευτή χωρίς να αφήσει κάποιο ίχνος, χάρις στην ιδιότητα της ασθενούς του αλληλεπίδρασης με την ύλη. Έτσι λοιπόν θα πρέπει να καταφύγουμε σε έμμεσες μεθόδους παρατήρησης.

Η ελλείπουσα εγκάρσια ενέργεια

Η μέθοδος βασίζεται στην λεγόμενη «ελλείπουσα ενέργεια»(missing energy), που αναγνώστες εξοικειωμένοι με την πειραματική πυρηνική φυσική θα πρέπει να την γνωρίζουν καλά. Η ελλείπουσα ενέργεια είναι μάλλον μία όχι και τόσο ορθή ονομασία: θα έπρεπε καλύτερα να ονομάζεται «ελλείπουσα ορμή»(missing momentum), για να αποτυπώσει σωστά την κατάσταση. Ένα βαρύ σωμάτιο που παράγεται σε μία πολύ ενεργητική σύγκρουση και ανακρούεται από άλλα σωματίδια θα είναι ανιχνεύσιμο ακόμη και αν δεν αφήνει ίχνη πίσω του, διότι μπορούμε να υπολογίσουμε την ορμή του μέσω αφαίρεσης από την συνολική ορμή των άλλων σωματιδίων που παρατηρούμε. Για την ακρίβεια, γνωρίζουμε πως η συνολική ορμή (το διανυσματικό της άθροισμα) θα πρέπει να είναι μηδέν στο επίπεδο κάθετο στις τροχιές των συγκρουόμενων σωματιδίων.

Για να καταλάβετε για τι πράγμα μιλάω, σκεφτείτε δύο αεροπλάνα που κινούνται με την ίδια ταχύτητα προς μία μετωπική σύγκρουση: η σύγκρουσή τους ασφαλώς θα τα διαλύσει και θα στείλει τα υπολείμματα τους προς κάθε κατεύθυνση. Εάν παρακολουθούσες την σκηνή και έβλεπες όλα τα συντρίμμια να πετάγονται προς τα αριστερά από την διεύθυνση της σύγκρουσης, θα ήσουν δικαιολογημένα ξαφνιασμένος: θα σκεπτόσουν πως αφού δεν υπάρχει κάποια μάζα σε κίνηση  στην κατεύθυνση κάθετη προς την τροχιά των αεροπλάνων πριν την σύγκρουση, κάτι θα πρέπει να έχει ανακρουστεί αντίθετα από τα υπόλοιπα συντρίμμια ώστε να υπάρχει διατήρηση της ορμής. Με άλλα λόγια, κάτι θα πρέπει να το έχει ωθήσει προς τα εκεί, αλλά δεν υπάρχει κάτι που να φαίνεται να επιτελεί αυτό το έργο.

Στη σωματιδιακή φυσική αυτού του είδους τα φαινόμενα παρατηρούνται όταν ένα ουδέτερο σωματίδιο φεύγει με μεγάλη ορμή μακριά από τη «σκηνή» της σύγκρουσης χωρίς να ανιχνευτεί, «σπρώχνοντας» όλα τα άλλα ορατά σωματίδια προς άλλες κατευθύνσεις. Υπολογίζοντας το διανυσματικό άθροισμα της ορμής όλων των παρατηρούμενων σωματιδίων, οι φυσικοί μπορούν να αναγνωρίσουν την παρουσία του αόρατου αυτού ουδέτερου σωματιδίου.

Σημειώστε τέλος πως ενώ στις συγκρούσεις ενός ηλεκτρονίου με ένα ποζιτρόνιο, τα οποία είναι σημειακά σωμάτια, κανείς μπορεί να μετρήσει το τρισδιάστατο διάνυσμα της ελλείπουσας ενέργειας, στα πειράματα συγκρούσεων αδρονίων θα πρέπει να περιοριστεί στη μέτρηση του δισδιάστατου διανύσματος της «ελλείπουσας εγκάρσιας ενέργειας» (missing ET) κατά το επίπεδο κάθετο στην διεύθυνση της δέσμης, καθώς το σύστημα από τα δύο partons, που παράγουν την σύγκρουση, φέρουν μία άγνωστη ορμή κατά μήκος της δέσμης.


Η έρευνα του ATLAS

Εάν κάποιος υποθέσει την ύπαρξη ενός ουδέτερου, ασθενώς-αλληλεπιδρώντος σωματιδίου σκοτεινής ύλης Χ, υπάρχουν διάφοροι μηχανισμοί παραγωγής του σε έναν επιταχυντή σωματιδίων, που εξαρτώνται από τις λεπτομέρειες του μοντέλου που λαμβάνεται υπόψιν. Ένα κοινό γνώρισμα είναι η πιθανότητα να δημιουργηθεί ένα ζεύγος σωματιδίου-αντισωματιδίου σκοτεινής ύλης, ΧΧ, μαζί με άλλα σώματα που ανακρούουν σε αυτά. Εάν το επιπλέον σώμα είναι ένα μποζόνιο W ή Z, η υπογραφές ίσως να είναι κάπως ευδιάκριτες.Τα W και Z είναι φορείς της ασθενούς αλληλεπιδράσεως, οπότε και ίσως συζεύγνυνται με το μυστηριώδες νέο σωματίδιο. Και μάλιστα η διάσπαση τους μπορεί να διακριθεί από τα υπόβαθρα (backgrounds) αρκετά αποτελεσματικά.

Το ATLAS έψαξε για γεγονότα που περιείχαν την υπογραφή της διάσπασης του W ή του Z σε έναν και μόνο, πολύ ενεργητικό και χοντρό πίδακα (jet). Εάν ο πίδακας παρατηρηθεί να ανακρούεται από το «τίποτα» (το έλλειμμα ενέργειας στο επίπεδο κάθετο στην διεύθυνση των δεσμών,ή αλλιώς η «ελλείπουσα εγκάρσια ενέργεια»), θα μπορούσε κάλλιστα αυτό να είναι ό,τι θα έβλεπε κανείς κατά την παραγωγή ενός σωματιδίου σκοτεινής ύλης από συγκρούσεις πρωτονίων.

Η επιλογή των γεγονότων όπου ένας ενεργητικός πίδακας ανακρούεται από μεγάλη ελλείπουσα ενέργεια δεν είναι δύσκολη. Το δύσκολο είναι να γίνει σίγουρο πως ο πίδακας είναι συμβατός με την διάσπαση ενός μποζονίου W ή Z σε ένα ζεύγος ενεργητικών πιδάκων. Εάν το μποζόνιο έχει μεγάλη ορμή, η ανάκρουση του σε ένα ζεύγος από σωματίδια σκοτεινής ύλης ΧΧ, θα έχει ως αποτέλεσμα τα δύο κουάρκς να δημιουργήσουν δύο στενά ρεύματα από αδρόνια που θα φαίνονται σαν ένας και μόνο πίδακας στον ανιχνευτή. Τα τελευταία χρόνια, η ανασύνθεση αυτών των «υποπιδάκων» (sub-jets) έχει αναβαθμιστεί δραματικά, έτσι ώστε στις μέρες μας ιδιαίτερα προωθημένα μποζόνια W και Z ανιχνεύονται σαν ένας ξεχωριστός χοντρός πίδακας σε βαθμό αρκετά ανταγωνίσιμο προς την κανονική τους και καθαρή λεπτονιακή διάσπαση.
Το γράφημα στα δεξιά δείχνει την αναλλοίωτη μάζα δύο «υποπιδάκων» για τα επιλεγμένα δεδομένα της έρευνας του ATLAS, και την αντίστοιχη κατανομή που θα αναμέναμε εάν παράγονταν δύο σωματίδια σκοτεινής ύλης μαζί με ένα W ή ένα Z και συνεισέφεραν στο δείγμα (με μπλε ή ροζ για δύο διαφορετικά μοντέλα της σύζευξης της σκοτεινής ύλης με τα up και down κουάρκ). Τα δύο σήματα είναι πολύ διαφορετικά σε μέγεθος, αφού αντιστοιχούν σε δημιουργική ή καταστροφική συμβολή, αντιστοίχως.

Τα δεδομένα ακολουθούν πιστά τις προβλέψεις για το υπόβαθρο. Αυτό προέρχεται κυρίως από την παραγωγή διανυσματικών μποζονίων συν πίδακων, όπου ο πίδακας είναι σωστότερα ένα σύστημα δύο υποπιδάκων, ή όταν είναι ένας συνήθης πίδακας από κουάρκ ή πίδακας γλουονίων που ανακρούεται σε ένα μποζόνιο Ζ, το οποίο διασπάται σε δύο νετρίνα. Στην τελευταία περίπτωση, τα νετρίνα παίζουν τον ρόλο των σωματιδίων χ, δίνοντας την ίδια υπογραφή «ελλείπουσας ενέργειας».

Το όριο που προκύπτει για την τιμή της παραγωγής σωματιδίων σκοτεινής ύλης μπορεί να μεταφραστεί σε ένα ανώτατο όριο για τη διατομή των σωματιδίων Χ με τα νουκλεόνια, σαν συνάρτηση της μάζας του σωματιδίου. Αυτό φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα, όπου στην περίπτωση της εξάρτησης από το spin το ATLAS φαίνεται να παράγει αυστηρότερα όρια από αυτά των άμεσων ερευνών στα υπόγεια πειράματα ανάκρουσης.

Αρχικό άρθρο:
http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor/atlas_limits_dark_matter-120902
23 Σεπτεμβρίου 2013

About qdsgreek

Greek version of "A Quantum Diaries Survivor" blog
This entry was posted in LHC and tagged , . Bookmark the permalink.

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Google+

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google+. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Σύνδεση με %s