De Large Hadron Collider (LHC) staat bekend om de jacht op en ontdekking van het Higgs-deeltje, maar in de 10 jaar sinds de machine protonen botste met een hogere energie dan eerder werd bereikt met een deeltjesversneller, onderzoekers hebben het gebruikt om te proberen een even opwindend deeltje op te sporen:het hypothetische deeltje dat een onzichtbare vorm van materie kan vormen die donkere materie wordt genoemd, die vijf keer vaker voorkomt dan gewone materie en zonder welke er geen universum zou zijn zoals wij dat kennen. De LHC-zoekopdrachten naar donkere materie zijn tot nu toe met lege handen opgedoken, net als niet-collider zoekopdrachten, maar het ongelooflijke werk en de vaardigheid die de LHC-onderzoekers hebben geleverd om het te vinden, heeft ertoe geleid dat ze veel van de regio's waar het deeltje verborgen kan liggen, hebben beperkt - noodzakelijke mijlpalen op het pad naar een ontdekking.

"Vóór de LHC, de ruimte van mogelijkheden voor donkere materie was veel groter dan nu, ", zegt donkere-materietheoreticus Tim Tait van UC Irvine en medeoprichter van de LHC Dark Matter Working Group.

"De LHC heeft echt een nieuwe weg ingeslagen in de zoektocht naar donkere materie in de vorm van zwak op elkaar inwerkende massieve deeltjes, door een breed scala aan potentiële signalen te bestrijken die worden voorspeld door ofwel de productie van donkere materie, of productie van de deeltjes die de interactie met gewone materie bemiddelen. Alle waargenomen resultaten zijn consistent met modellen die geen donkere materie bevatten, en geef ons belangrijke informatie over welke soorten deeltjes het niet langer kunnen verklaren. De resultaten hebben zowel experimentatoren in nieuwe richtingen gewezen voor het zoeken naar donkere materie, en zette theoretici ertoe aan om bestaande ideeën voor wat donkere materie zou kunnen zijn te heroverwegen - en in sommige gevallen om met nieuwe te komen."

Maak het, breek het en schud het

Om donkere materie te zoeken, experimenten in wezen "maak het, breek het of schud het." De LHC heeft geprobeerd het te maken door bundels van protonen te laten botsen. Sommige experimenten gebruiken telescopen in de ruimte en op de grond om te zoeken naar indirecte signalen van donkere-materiedeeltjes terwijl ze botsen en uitbreken in Anderen jagen nog steeds rechtstreeks op deze ongrijpbare deeltjes door te zoeken naar de kicks, of "schudt, " geven ze aan atoomkernen in ondergrondse detectoren.

De make-it-benadering is complementair aan de break-it- en shake-it-experimenten, en als de LHC een potentieel donkere-materiedeeltje detecteert, het zal bevestiging van de andere experimenten vereisen om te bewijzen dat het inderdaad een donkere-materiedeeltje is. Daarentegen, als de directe en indirecte experimenten een signaal detecteren van een interactie tussen donkere materiedeeltjes, experimenten bij de LHC zouden kunnen worden ontworpen om de details van een dergelijke interactie te bestuderen.

Ontbrekend momentumsignaal en stoten zoeken

Dus hoe heeft de LHC gezocht naar tekenen van productie van donkere materie bij protonbotsingen? Het belangrijkste kenmerk van de aanwezigheid van een donkere-materiedeeltje bij dergelijke botsingen is het zogenaamde ontbrekende transversale momentum. Om deze handtekening te zoeken, onderzoekers tellen de momenta op van de deeltjes die de LHC-detectoren kunnen zien - meer bepaald de momenta loodrecht op de botsende bundels van protonen - en identificeren elk ontbrekend momentum dat nodig is om het totale momentum vóór de botsing te bereiken. Het totale momentum moet nul zijn omdat de protonen in de richting van de bundels reizen voordat ze botsen. Maar als het totale momentum na de botsing niet nul is, het ontbrekende momentum dat nodig was om het nul te maken, zou kunnen zijn meegesleurd door een niet-gedetecteerd donkere-materiedeeltje.

Ontbrekend momentum is de basis voor twee hoofdtypen zoeken bij de LHC. Eén type wordt geleid door zogenaamde compleet nieuwe natuurkundige modellen, zoals supersymmetrie (SUSY) modellen. In SUSY-modellen, de bekende deeltjes beschreven door het standaardmodel van deeltjesfysica hebben een supersymmetrisch partnerdeeltje met een kwantumeigenschap die spin wordt genoemd en die een halve eenheid verschilt van die van zijn tegenhanger. In aanvulling, in veel SUSY-modellen, het lichtste supersymmetrische deeltje is een zwak interactief massief deeltje (WIMP). WIMP's zijn een van de meest boeiende kandidaten voor een donkere-materiedeeltje omdat ze de huidige overvloed aan donkere materie in de kosmos zouden kunnen genereren. Zoekopdrachten gericht op SUSY WIMP's zoeken naar ontbrekend momentum van een paar donkere materiedeeltjes plus een spray, of "jet, " van deeltjes en/of deeltjes die leptonen worden genoemd.

Een ander type zoektocht waarbij de ontbrekende impulssignatuur betrokken is, wordt geleid door vereenvoudigde modellen die een WIMP-achtig donkere-materiedeeltje en een mediatordeeltje bevatten dat zou interageren met de bekende gewone deeltjes. De mediator kan een bekend deeltje zijn, zoals het Z-boson of het Higgs-boson, of een onbekend deeltje. Deze modellen hebben de afgelopen jaren veel aan populariteit gewonnen omdat ze zeer eenvoudig maar algemeen van aard zijn (complete modellen zijn specifiek en dus beperkter in reikwijdte) en ze kunnen worden gebruikt als benchmarks voor vergelijkingen tussen resultaten van de LHC en van niet-collider donker- materie experimenten. Naast het ontbreken van momentum van een paar donkere materiedeeltjes, dit tweede type zoekactie zoekt naar ten minste één zeer energetisch object zoals een straal deeltjes of een foton.

In de context van vereenvoudigde modellen, er is een alternatief voor zoeken met ontbrekend momentum, dat is om niet te zoeken naar het donkere-materiedeeltje, maar naar het bemiddelaardeeltje door zijn transformatie, of "verval, " in gewone deeltjes. Deze benadering zoekt naar een hobbel over een vloeiende achtergrond van gebeurtenissen in de botsingsgegevens, zoals een hobbel in de massadistributie van gebeurtenissen met twee jets of twee leptonen.

Het WIMP-territorium verkleinen

Welke resultaten hebben de LHC-experimenten behaald met deze WIMP-zoekopdrachten? Het korte antwoord is dat ze nog geen tekenen van WIMP donkere materie hebben gevonden. Het langere antwoord is dat ze grote delen van het theoretische WIMP-territorium hebben uitgesloten en sterke limieten hebben gesteld aan de toegestane waarden van de eigenschappen van zowel het donkere-materiedeeltje als het mediatordeeltje, zoals hun massa's en interactiesterkten met andere deeltjes. Samenvattend de resultaten van de LHC-experimenten, Caterina Doglioni, lid van de ATLAS-experimentsamenwerking, zegt:"We hebben een groot aantal specifieke zoekopdrachten uitgevoerd naar onzichtbare deeltjes en zichtbare deeltjes die zouden optreden in processen met donkere materie, en we hebben de resultaten van deze zoekopdrachten geïnterpreteerd in termen van veel verschillende WIMP-scenario's voor donkere materie, van vereenvoudigde modellen tot SUSY-modellen. Dit werk profiteerde van de samenwerking tussen experimentatoren en theoretici, bijvoorbeeld op discussieplatforms zoals de LHC Dark Matter Working Group (LHC DM WG), waaronder theoretici en vertegenwoordigers van de ATLAS, CMS en LHCb samenwerkingen. Het plaatsen van de LHC-resultaten in de context van de wereldwijde WIMP-zoekopdracht die directe en indirecte detectie-experimenten omvat, is ook een punt van discussie geweest in de gemeenschap van donkere materie, en de discussie blijft tot op heden over hoe synergieën tussen verschillende experimenten die hetzelfde wetenschappelijke doel hebben om donkere materie te vinden, het beste kunnen worden benut."

Een specifiek voorbeeld geven van een resultaat verkregen met gegevens van het ATLAS-experiment, Priscilla Pani, ATLAS-experiment mede-organisator van de LHC Dark Matter WG, benadrukt hoe de samenwerking onlangs de volledige LHC-dataset heeft doorzocht vanaf de tweede run van de machine (Run 2), verzameld tussen 2015 en 2018, om te zoeken naar gevallen waarin het Higgs-deeltje zou kunnen vervallen in donkere materiedeeltjes. "We hebben geen gevallen van dit verval gevonden, maar we waren in staat om de sterkste limieten tot nu toe vast te stellen voor de kans dat het optreedt, ' zegt Pani.

Phil Harris, CMS experiment mede-organisator van de LHC Dark Matter Working Group, benadrukt zoektochten naar een donkere-materie-bemiddelaar die in twee jets vervalt, zoals een recente CMS-zoekopdracht op basis van Run 2-gegevens.

"Deze zogenaamde dijet-zoekopdrachten zijn erg krachtig omdat ze een groot aantal mediatormassa's en interactiesterkten kunnen onderzoeken, " zegt Harris.

Xabier Cid Vidal, LHCb-experiment mede-organisator van de LHC Dark Matter WG, merkt op zijn beurt op hoe gegevens van Run 1 en Run 2 over het verval van een deeltje dat bekend staat als het Bs-meson, de LHCb-samenwerking in staat heeft gesteld sterke limieten te stellen aan SUSY-modellen die WIMP's bevatten. "Het verval van het Bs-meson in twee muonen is erg gevoelig voor SUSY-deeltjes, zoals SUSY WIMP's, omdat de frequentie waarmee het verval optreedt heel anders kan zijn dan voorspeld door het standaardmodel als SUSY-deeltjes, zelfs als hun massa te hoog is om direct bij de LHC te worden gedetecteerd, interfereren met het verval, ', zegt Cid Vidal.

Een breder net uitwerpen

"Tien jaar geleden, experimenten (bij de LHC en daarbuiten) waren op zoek naar donkere materiedeeltjes met massa's boven de protonmassa (1 GeV) en onder een paar TeV. Dat is, ze waren gericht op klassieke WIMP's zoals die voorspeld door SUSY. 10 jaar vooruitspoelen en experimenten met donkere materie zoeken nu naar WIMP-achtige deeltjes met massa's zo laag als ongeveer 1 MeV en zo hoog als 100 TeV, " zegt Tait. "En de nulresultaten van zoekopdrachten, zoals bij de LHC, hebben vele andere mogelijke verklaringen voor de aard van donkere materie geïnspireerd, van vage donkere materie gemaakt van deeltjes met een massa zo laag als 10−22 eV tot oerzwarte gaten met massa's die gelijk zijn aan meerdere zonnen. In het licht hiervan, de gemeenschap van donkere materie is begonnen een breder netwerk uit te werpen om een ​​groter landschap van mogelijkheden te verkennen."

Op het botserfront, de LHC-onderzoekers zijn begonnen met het onderzoeken van enkele van deze nieuwe mogelijkheden. Bijvoorbeeld, ze zijn gaan kijken naar de hypothese dat donkere materie deel uitmaakt van een grotere donkere sector met verschillende nieuwe soorten donkere deeltjes. Deze donkere-sectordeeltjes kunnen een donkere-materie-equivalent van het foton bevatten, het donkere foton, die zou interageren met de andere donkere sector deeltjes evenals de bekende deeltjes, en langlevende deeltjes, die ook worden voorspeld door SUSY-modellen.

"Scenario's in de donkere sector bieden een nieuwe reeks experimentele handtekeningen, en dit is een nieuwe speeltuin voor LHC-fysici, ' zegt Doglioni.

"We breiden nu de experimentele methoden uit waarmee we bekend zijn, dus we kunnen proberen zeldzame en ongebruikelijke signalen te vangen die begraven liggen in grote achtergronden. Bovendien, veel andere huidige en geplande experimenten zijn ook gericht op donkere sectoren en deeltjes die zwakker op elkaar inwerken dan WIMP's. Sommige van deze experimenten, zoals het onlangs goedgekeurde FASER-experiment, zijn kennis delen, technologie en zelfs versnellercomplex met de belangrijkste LHC-experimenten, en ze zullen het bereik van LHC-zoekopdrachten naar niet-WIMP donkere materie aanvullen, zoals blijkt uit het CERN Physics Beyond Colliders-initiatief."

Eindelijk, de LHC-onderzoekers werken nog aan data van Run 2, en de gegevens die tot nu toe zijn verzameld, van Run 1 en Run 2, is slechts ongeveer 5% van het totaal dat de experimenten zullen registreren. Dit gegeven, evenals de enorme kennis die is opgedaan met de vele LHC-analyses die tot nu toe zijn uitgevoerd, er is misschien een kans dat de LHC in de komende 10 jaar een donkere-materiedeeltje zal ontdekken. "Het is het feit dat we het nog niet hebben gevonden en de mogelijkheid dat we het in de niet zo verre toekomst kunnen vinden, dat houdt me enthousiast over mijn baan, ", zegt Harris. "De afgelopen 10 jaar hebben ons laten zien dat donkere materie misschien anders is dan we aanvankelijk dachten, maar dat betekent niet dat we het niet kunnen vinden, ', zegt Cid Vidal.

"We zullen geen middel onbeproefd laten, hoe groot of klein het ook is en hoe lang het ook duurt, ' zegt Pani.