Vorige week op de 52e Rencontres de Moriond EW in La Thuile, Italië, het LHCb-experiment presenteerde de resultaten van een ongekende en ongebruikelijke studie. In plaats van de gebruikelijke proton-protonbotsingen, deze keer registreerde de LHCb-detector botsingen tussen protonen en heliumkernen, die werden geïnjecteerd in de buurt van het interactiepunt van het experiment. Dit type botsing is meestal alleen ver boven de aardatmosfeer te zien, waar deeltjes van kosmische straling - zeer energetische deeltjes van buiten het zonnestelsel - interstellair "stof" raken dat voornamelijk bestaat uit waterstof en helium, en worden gedetecteerd door op satellieten gebaseerde experimenten. Wetenschappers willen dit proces beter begrijpen en vooral, proberen te begrijpen hoeveel antiprotonen worden gecreëerd wanneer de zeer energieke protonen van kosmische straling de heliumkernen van het interstellaire medium raken.

De ultieme reden hiervoor heeft te maken met het zoeken naar signalen van donkere materie. Donkere materie is een onzichtbaar type materie - d.w.z. het zendt geen enkele vorm van elektromagnetische straling uit - die een kwart van de materie-energie-inhoud van ons universum uitmaakt, maar de oorsprong ervan is nog onbekend. Als donkere materie is gemaakt van een soort (nog onontdekte) stabiele deeltjes, waarvan het bestaan ​​is voorzien in vele uitbreidingen van het standaardmodel van deeltjesfysica, deze donkere materiedeeltjes kunnen botsen en gewone deeltjes en antideeltjes produceren, met name met inbegrip van antiprotonen.

Echter, antiprotonen kunnen ook worden gecreëerd via de botsing van kosmische stralingsprotonen met waterstof- en heliumkernen in het interstellaire medium. Daarom, een mogelijk teken van de aanwezigheid van donkere materie zou de waarneming kunnen zijn van een aantal antiprotonen dat groter is dan verwacht van "standaard" processen. En inderdaad, de PAMELA en AMS-02 ruimtegebaseerde experimenten vonden precies zo'n intrigerende overmaat aan antiprotonen vergeleken met protonen in kosmische stralingsmetingen, met een indrukwekkende precisie.

Eureka? Jammer genoeg nog niet, aangezien ons theoretisch begrip van de productie van antiprotonen door botsingen met kosmische straling nog steeds wordt beïnvloed door grote onzekerheden, vooral met betrekking tot de waarschijnlijkheid van antiprotonproductie bij proton-heliumbotsingen (de zogenaamde "dwarsdoorsnede"). Een nauwkeurige bepaling van het verwachte aantal antiprotonen van kosmische straling was tot nu toe onmogelijk, waardoor een eenvoudige interpretatie van de resultaten van de satellietexperimenten wordt voorkomen.

Hier kwam het LHCb-experiment om de hoek kijken. Het idee om edelgassen – zoals neon, helium en argon - in de bundelpijp nabij het interactiegebied werd voorgesteld om verschillende redenen die verband houden met metingen van de protonenbundelhelderheid. Maar het potentieel ervan werd snel erkend door de LHCb-fysici en hun collega's die werkzaam zijn in de astrodeeltjesfysica:de gasinjectietechniek zou ook kunnen worden gebruikt om de kosmische omgeving te simuleren en te meten, Voor de eerste keer, de productiedoorsnede van antiprotonen bij proton-heliumbotsingen.

De proton-heliumbotsingsgegevens die in deze analyse werden gebruikt, werden begin mei 2016 geregistreerd. Dankzij de gespecialiseerde mogelijkheden voor het identificeren van verschillende deeltjes, in het bijzonder antiprotonen, het LHCb-experiment was ook in staat om de dwarsdoorsnede van de antiprotonproductie te meten in een groot aantal relevante energieën, het bereiken van een algehele nauwkeurigheid van ongeveer 10%. Deze meting verkleint aanzienlijk de onzekerheid over de waarden van de antimaterieproductie-dwarsdoorsnede in proton-heliumbotsingen die tot nu toe zijn gebruikt in theoretische kosmische stralingsmodellen (zie de afbeelding hieronder).

Het LHCb-resultaat zal een aanzienlijke impact hebben op de voorspellingen voor het aantal antiprotonen dat wordt verwacht van botsingen met kosmische straling met het interstellaire medium, en de astrofysica-gemeenschap is nu bezig het in hun berekeningen op te nemen. Dit werk zal de interpretatie van PAMELA- en AMS-02-gegevens over de antiprotonflux vanuit de ruimte mogelijk maken om meer beperkt te worden, licht werpen op de mogelijke oorsprong van donkere materie.

Meer informatie over deze uitslag is te vinden op de website van LHCb.