Αυστηροί περιορισμοί στη σκοτεινή ύλη από το CMS

Παρότι είναι ευρέως αποδεκτή πλέον ως η φυσική εξήγηση για τις παρατηρούμενες ιδιότητες του σύμπαντος μας, η σκοτεινή ύλη παραμένει ακόμα μία βαθύτατα μυστηριώδης οντότητα. Υπάρχουν, κυριολεκτικά, δεκάδες υποψηφιότητες για να εξηγηθεί η φύση της, σε τελείως διαφορετικές κλίμακες μεγέθους, από υποατομικά σωματίδια μέχρι αρχέγονες μαύρες τρύπες και παραπέρα. Για τους σωματιδιακούς φυσικούς είναι, βέβαια, φυσικό να υποθέσουν πως η σκοτεινή ύλη είναι όντως ένα σωματίδιο, το οποίο και δεν έχουμε βρει μέχρι σήμερα. Έχουμε όμως στη διάθεση μας ένα σφυρί, και αυτό μοιάζει με καρφί.

Πράγματι, οι έρευνες για σκοτεινή ύλη σε επιταχυντές σωματιδίων έχουν ανθίσει στις μέρες μας. Ρόλο σε αυτό έχει παίξει και το γεγονός πως υπάρχει ένα είδος «κοσμικής σύμπτωσης» μεταξύ της αφθονίας ενός υποθετικού ασθενώς αλληλεπιδρώντος σωματιδίου που χρειάζεται για να εξηγηθεί η παρατηρούμενη ποσότητα σκοτεινής ύλης στο σύμπαν και της αφθονίας με την οποία θα είχε παραχθεί αυτό κατά τη Μεγάλη Έκρηξη, εφόσον η μάζα του σωματιδίου είναι μερικές εκατοντάδες GeV (μαζί και με κάποια άλλα χαρακτηριστικά που εναρμονίζονται με τον χαρακτηρισμό του σωματιδίου ως σκοτεινή ύλη, όπως η ασθενής αλληλεπίδραση με τη συνήθη ύλη). Και μερικές εκατοντάδες GeV είναι σήμερα βούτυρο στο ψωμί για τα πειράματα του LHC!

Ένα ασθενώς αλληλεπιδρών σωματίδιο με την παραπάνω μάζα που παρήχθη σε αφθονία κατά τη Μεγάλη Έκρηξη και που είναι απόλυτα σταθερό (έτσι ώστε να έχει παραμείνει γύρω μας τα τελευταία 13.7 δισεκατομμύρια χρόνια) θα μπορούσε κάλλιστα να είναι το νετραλίνο, το ελαφρύτερο σωματίδιο που προβλέπεται από τις υπερσυμμετρικές θεωρίες.

Εάν η Υπερσυμμετρία είναι η σωστή επέκταση του Καθιερωμένου Προτύπου της σωματιδιακής φυσικής, και εάν μία ποσότητα με το όνομα «R-ομοτιμία (R-parity)» διατηρείται (υπάρχουν λόγοι να πιστεύουμε πως κάτι τέτοιο θα πρέπει να συμβαίνει, όπως για παράδειγμα το γεγονός πως τα πρωτόνια είναι πολύ σταθερά φυσικά συστήματα, ενώ η παραβίαση της R-ομοτιμίας θα μπορούσε να δώσει διάσπαση πρωτονίου), τότε το νετραλίνο είναι μία αναγκαία συνέπεια, και όλα ταιριάζουν μεταξύ τους πολύ ωραία. Αλλά ένα βαρύ, ασθενώς αλληλεπιδρών σωματίδιο δεν προκύπτει αποκλειστικά και μόνο από υπερσυμμετρικές θεωρίες, οπότε κανείς μπορεί να ψάξει σε ένα πιο γενικό πλαίσιο. Θα μπορούσαμε να πούμε πως οι συγκρούσεις στον LHC μπορούν να δώσουν ζεύγη τέτοιων σωματιδίων, τα οποία και θα διέφευγαν του ανιχνευτή χωρίς να αφήσουν πίσω τους κάποιο ενεργειακό απόθεμα και να εξετάσουμε τις συνέπειες μιας τέτοιας υπόθεσης.

Ένας ωραίος τρόπος για να ανιχνεύσεις μία τόσο φευγαλέα διαδικασία είναι να βασιστείς στο γεγονός πως κάθε αδρονική σύγκρουση υψηλής ενέργειας παράγει, εκτός από την «hard subprocess» – ας πούμε μία εξαΰλωση κουάρκ-αντικουάρκ που δίνει ζεύγος σωματιδίων σκοτεινής ύλης -, και κάτι το οποίο ονομάζουμε «ακτινοβολία αρχικής κατάστασης (initial state radiation)». Με άλλα λόγια, τα συγκρουόμενα σωμάτια, συχνά, χάνουν κάποια ενέργεια προτού εξαϋλωθούν ή σκεδαστούν. Η ενέργεια αυτή μερικές φορές εκπέμπεται υπό τη μορφή ενός μόνο ενεργητικού φωτονίου και αυτό, σε αντίθεση με τα σωματίδια σκοτεινής ύλης, μπορεί να ανιχνευθεί. Έτσι το γεγονός δεν είναι πλέον εντελώς «αόρατο»!

Η πειραματική υπογραφή περιλαμβάνει την παρατήρηση ενός ενεργητικού φωτονίου που ανακρούεται από… τίποτα απολύτως: το ζεύγος των σωματιδίων σκοτεινής ενέργειας κουβαλάει μία ποσότητα ορμής και αυτό προδίδει την παρουσία του, παρά το ότι διέφυγε του ανιχνευτή. Γεγονότα με ένα φωτόνιο και τη λεγόμενη «ελλείπουσα εγκάρσια ενέργεια» (για την ακρίβεια ελλείπουσα εγκάρσια ορμή, αλλά αυτά τα δύο είναι σε πειραματικό επίπεδο ταυτόσημα) προκύπτουν από διαδικασίες εντός του καθιερωμένου προτύπου, αλλά είναι σχετικά σπάνιες, με αποτέλεσμα ακόμα και ένα ασθενές σήμα παραγωγής σκοτεινής ενέργειας σε ζεύγη να μπορεί να ανιχνευθεί ως πλεόνασμα.

Δείτε τώρα στα δεξιά το φάσμα της ελλείπουσας εγκάρσιας ενέργειας που παρήχθη από το CMS από τα 20 inverse femtobarns δεδομένων συγκρούσεων πρωτονίου-πρωτονίου στα 8 TeV. Τα δεδομένα που ελήφθησαν (μαύρα σημεία) ακολουθούν με μεγάλη ακρίβεια τις προβλέψεις για τα υπόβαθρα του ΚΠ ακόμη και για πολύ μεγάλες τιμές ελλείπουσας ενέργειας, το οποίο υποδηλώνει πως δεν μπορεί να υποτεθεί κάποιο σήμα σκοτεινής ύλης ή παρόμοιων οντοτήτων. Στο γράφημα συμπεριλαμβάνεται και ως παράδειγμα ένα άδειο μπλε ιστόγραμμα το οποίο αντιστοιχεί στη συνεισφορά που θα είχε στα δεδομένα ένα σωματίδιο σκοτεινής ενέργειας, για συγκεκριμένες τιμές της μάζας του. (Το διάγραμμα επίσης περιλαμβάνει και το υποθετικό σήμα από unparticles και μεγάλες επιπλέον διαστάσεις, αλλά αυτά είναι άλλου είδους θηρία και δεν θα τα αναλύσω εδώ).

Από την απουσία κάποιου σήματος, το  CMS εξάγει ανώτατα όρια για την ενεργό διατομή αλληλεπιδράσεων σκοτεινής ύλης με νουκλεόνια, σαν συνάρτηση της υποθετικής μάζας της σκοτεινής ύλης. Αυτά συγκρίνονται με άλλα άνω όρια τα οποία προσδιορίστηκαν παλαιότερα από απευθείας έρευνες και η συνολική εικόνα φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα. Σημειώστε πως τα όρια του CMS από την έρευνα που περιγράψαμε παραπάνω (με την ετικέτα «8 TeV», η κόκκινη και η ροζ γραμμή) εξαρτώνται από το είδος της σύζευξης των σωματιδίων σκοτεινής ύλης με τη συνήθη ύλη: μία vector coupling θα είχε ως αποτέλεσμα το ασθενέστερο όριο με το κόκκινο χρώμα, ενώ μία scalar coupling θα έδινε το πολύ πιο ισχυρό όριο με το ροζ.

Για περισσότερες λεπτομέρειες πάνω στην έρευνα του CMS μπορείτε να δείτε το preprint εδώ.

Αρχικό Άρθρο:
http://www.science20.com/a_quantum_diaries_survivor/tight_constraints_on_dark_matter_from_cms-142781
18 Αυγούστου 2014

About qdsgreek

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

Μία απάντηση στο Αυστηροί περιορισμοί στη σκοτεινή ύλη από το CMS

  1. Παράθεμα: Αυστηρο...

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