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任重而道远:寻找神秘暗物质的关键——超对称粒子

未知 2020-01-02 19:16

世界上最大的原子加速器可能正在失去它的暗物质。但是,物理学家们对这些丢失的暗物质有了更清晰的认识(如果暗物质存在的话)。

ATLAS是日内瓦大型强子对撞机(LHC)的超大粒子探测器,因2012年发现希格斯玻色子而闻名于世,现在它已经开始寻找更奇特的粒子——包括理论上的“超对称”粒子,或者说宇宙中所有已知粒子的伴侣粒子。

如果超对称粒子是真实存在的话,那么其中的一些粒子可以解释充斥着宇宙的那些看不见的暗物质。而今年3月,一次以ATLAS为中心的会议公布了两项研究结果,为我们提供了目前对这些假设粒子的最精确描述。

看不见的物质

让我们先从头说起。

暗物质是构成宇宙大部分的看不见的物质,尽管没有人能看到它,但我们有很多理由怀疑它的存在,其中最明显的就是星系的存在。

环顾我们的宇宙,研究人员可以看到,就星系里面的可见恒星和其他普通物质来说,星系的质量似乎还不够大,并不足以维持自身的存在。如果我们能看到的东西就是星系包含的所有物质的话,那么那些星系就会散开来。这表明一些看不见的暗物质聚集在了星系当中,并通过引力将这些星系聚集在了一起。

但是没有一种已知的粒子可以解释宇宙中的星系网络。因此,大多数物理学家都认为宇宙中的暗物质是由我们从未见过的某种粒子(或多种粒子)构成的。

实验物理学家已经建造了许多探测器来试图捕捉它们。

这些实验以不同的方式进行,但本质上,许多实验就是把一大块东西放在一个非常暗的房间里,然后对它进行非常仔细的观察。该理论认为,一些暗物质粒子最终会撞击到大块物质中,并使其出现闪光,而根据物质的性质和发光性质,物理学家将了解暗物质粒子会是什么样子。

但ATLAS采取了相反的方法,它在地球最明亮的地方之一寻找暗物质粒子。大型强子对撞机是一个非常大的机器,它能够以令人难以置信的高速将粒子撞在一起,在其数英里长的管道内,粒子不断进行碰撞,爆炸出新的粒子。当ATLAS发现希格斯玻色子时,它看到的实际上是一堆由大型强子对撞机创造的希格斯玻色子。

一些理论家认为,大型强子对撞机也可能创造出了特定种类的暗物质粒子:已知粒子的超对称伴侣粒子。“超对称”一词指的是一种理论,该理论认为物理学中许多已知粒子都有尚未发现的“伴侣粒子”,而这些“伴侣粒子”比这些已知粒子更难探测到。这个理论还没有得到证实,但如果它是正确的话,它将会简化目前粒子物理学中许多混乱的方程式。

不过具有正确性质的超对称粒子也有可能可以解释宇宙中部分或全部缺失的暗物质,如果它们可以在大型强子对撞机上制造出来的话,ATLAS应该能够观察到它们。

寻找超对称粒子

但有一个问题。物理学家越来越相信,如果大型强子对撞机可以产生这些超对称粒子的话,那么它们在衰变之前就会飞出探测器。这就成问题了,因为ATLAS观测器并不会直接探测奇异的超对称粒子,ATLAS只会观测超对称粒子衰变后变成的常见粒子,然而,如果超级对称粒子在衰变前就飞出了大型强子对撞机的话,那么ATLAS就不会看到这种粒子。因此,它的研究人员提出了一个创造性的替代方案:利用大型强子对撞机中数百万次粒子碰撞的统计数据进行搜寻,以寻找证据证明缺少了其他一些东西。

研究人员在一份声明中说:“它们的存在只能通过碰撞失去的横向动量的大小来推断。”

然而,准确测量失去的动量是一项艰巨的任务。

研究人员说:“在大型强子对撞机产生大量重叠碰撞的密集环境中,很难区分真的动量和‘假’的动量。”

到目前为止,这场搜寻还没有发现任何线索,但这并不代表一无所获,每当一个特定的暗物质实验失败时,研究人员就知道暗物质不会像什么,物理学家称这种缩小范围的过程在“约束”暗物质。

今年3月的这两个结果是基于对动量缺失统计是搜寻结果,它们表明如果某些潜在超对称暗物质(超带电子、超轻子和超对称底夸克)确实存在的话,它们必须具有ATLAS尚未排除的特征。

如果目前的超对称性模型是正确的话,一对超带电子的重量必须至少是一个质子质量的447倍,一对超轻子的质量必须至少是一个质子质量的746倍。

同样,根据目前的模型,超对称底夸克的质量至少是质子质量的1545倍。

ATLAS已经完成了对更轻的超带电子,超轻子和底夸克的寻找,研究人员说,他们有95%的信心认为它们不存在。

在某些方面,虽然对暗物质的探索似乎总是缺少有价值的发现(这多少可能会令人失望),但这些物理学家仍然保持乐观。

他们在一份声明中说,这些结果“对重要的超对称场景有很大的约束作用,这将指导ATLAS 未来的搜索。”

因此,ATLAS现在有了一种寻找暗物质和超对称性的新方法,不过目前还没有发现任何暗物质或超对称粒子。

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