暗物质可能正隐藏在大型强子对撞机的粒子射流中

By Keith Cooper

大型强子对撞机上的ATLAS探测器 (Image credit: CERN/Claudia Marcelloni/Max Brice)

对暗物质的一个新搜索已经空手折腾出来------但在一线希望中，这一努力提供将帮助未来的实验缩小对这种难以捉摸的物质的搜索范围的重要限制。

大多数天文学家相信暗物质占宇宙中所有质量的85%，它的存在将解释围绕星系和在巨大的星系团内可以检测到的明显的额外引力。然而，到目前为止还没有人能够来识别暗物质是由什么组成的。

直到最近为止，领跑者嫌疑已经是一种叫做弱交互作用质量粒子的粒子，缩写为WIMP。这些理论粒子被认为几乎的不与正常物质相互作用，除非当到引力时。然而，大型强子对撞机（LHC）是世界上最大、最强大的粒子加速器，已经失败于折腾出弱交互作用质量粒子存在的证据。

因此，理论家们不得不争先恐后来发现暗物质可能是什么的替代理论。

约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学物理学教授迪帕克·卡尔（Deepak Kar）在一份声明中说， “弱交互作用质量粒子是一类被假设来解释暗物质的粒子，因为它们不吸收或发光也不会与其他粒子强相互作用，然而，由于到目前为止还没有发现弱交互作用质量粒子的证据，我们意识到搜索暗物质需要一个范式转变”。

暗物质的一些替代模型摆出不是暗物质是弱相互作用的，而是暗物质实际上可以与标准模型中的某些粒子强的相互作用，标准模型是粒子物理学的一个框架，描述每个已知的粒子以及每个粒子如何相互作用并与彼此相关。暗物质粒子据信存在于标准模型的范围之外，相反预测强相互作用暗物质的模型描述一整个从基本的“暗夸克”和“暗胶子”开始的理论粒子的群。它们就像夸克和胶子的暗镜一样，它们是所有可见物质的基本组成部分并且肯定存在于标准模型中。

现在，卡尔和他的前学生苏侃亚辛哈（现在在英国曼彻斯特大学）已经开发了一种新方法，在大型强子对撞机内发生的质子之间的高能碰撞中寻找这些潜在的暗夸克和暗胶子。

当质子在大型强子对撞机内几乎以光速一起来聚集时，它们被粉碎成它们的组成夸克和胶子，顺利的衰变来产生一阵短寿命的亚原子粒子的阵雨。这些粒子阵雨被指为“射流”。

形成了辛哈博士学位的基础的卡尔和辛哈的想法是可能的暗夸克和暗胶子可以衰变来产生一个粒子的混合物，有些是普通的，也有些是暗的。这将造成他们指为的“半可见”射流。他们解释射流被成对产生，如果一个正常射流和一个半可见射流被并排产生，暗粒子会带走一些能量，导致一个告密的能量不平衡读数，因为暗粒子不会被看到。

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卡尔和辛哈用大型强子对撞机的ATLAS实验已经领导了一个对这些能量不平衡的搜索。然而，因为一个两个正常射流的轻微错误测量可能模仿一个半可见射流的能量不平衡，来自ATLAS的数据必须被非常仔细地分析。

两人没有发现半可见射流的证据，但这并不意味着它们不存在。

发表在Physics Letters B杂志上的ATLAS结果指出这些理论上暗粒子属性的上限，允许未来搜索它们的实验被微调。