暗物质研究进展

　　“这就是我们做基础科学研究，探索宇宙最深奥秘的原因。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机是迄今为止建造的最大的实验，粒子碰撞创造了类似大爆炸的条件，可以用来寻找暗物质的线索，”来自南非约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学物理学院的Deepak Kar教授说。

　　如果半可见的喷流存在，它将如何出现在ATLAS探测器上的图形表示。来源:欧洲核子研究中心

　　在欧洲核子研究中心的ATLAS实验中，卡尔和他以前的博士生苏坎亚·辛哈(Sukanya Sinha)(现在是曼彻斯特大学的博士后研究员)开创了一种寻找暗物质的新方法。他们的研究发表在《物理快报B》杂志上。

　　解开暗物质的新方法

　　卡尔说:“在过去的几十年里，人们对暗物质进行了大量的对撞机搜索，到目前为止，它们都集中在弱相互作用的大质量粒子上，称为wimp。”“WIMPS是一类被假设用来解释暗物质的粒子，因为它们不吸收或发射光，也不与其他粒子强烈相互作用。然而，由于到目前为止还没有发现WIMPS的证据，我们意识到寻找暗物质需要一个范式转变。”

　　Sukanya Sinha博士和Deepak Kar教授。资料来源:金山大学

　　卡尔说:“我们想知道的是，暗物质粒子是否真的是在标准模型粒子的喷射中产生的。”这导致了一种新的探测器特征的探索，这种特征被称为半可见喷流，科学家们以前从未观察过。

　　高能质子的碰撞通常会导致从普通夸克或胶子的衰变中产生一种被称为喷射的粒子的准直喷射。当假设的暗夸克部分衰变为标准模型夸克(已知粒子)，部分衰变为稳定的暗强子(“不可见部分”)时，就会产生半可见的喷流。由于它们是成对产生的，通常伴随着额外的标准模型喷流，当所有的喷流没有完全平衡时，探测器中的能量不平衡或能量缺失就会出现。丢失能量的方向通常与其中一个半可见的喷流对齐。

　　这使得搜索半可见的射流非常具有挑战性，因为这种事件特征也可能由于探测器中测量错误的射流而产生。卡尔和辛哈寻找暗物质的新方法为寻找暗物质的存在开辟了新的方向。

　　辛哈说:“尽管我的博士论文没有包含暗物质的发现，但它为这种生产模式设定了第一个相当严格的上限，并且已经激发了进一步的研究。”

　　欧洲核子研究中心(CERN)的ATLAS协作项目强调了这一点，并将其作为夏季会议上公布的旗舰成果之一。

　　参考文献:“在ATLAS中使用Run 2数据搜索非共振产生的半可见光射流”，由ATLAS协作，2023年11月11日，物理快报B. DOI: 10.1016/j.p ethletb .2023.138324

　　欧洲大型强子对撞机(Large Hadron Collider)的实验，如图中看到的ATLAS量热计，正在提供对基本粒子更精确的测量。资料来源:欧洲核子研究中心的Maximilien Brice

　　ATLAS实验

　　ATLAS实验是欧洲核子研究中心(CERN)最重要的科学努力之一。它是世界上最大、最强大的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)的关键部分。ATLAS位于日内瓦附近，是“环形大型强子对撞机”的缩写，专注于探索物理学的基本方面。

　　ATLAS的设计目的是探索广泛的科学问题。它试图理解自时间之初就塑造了我们的宇宙并将决定其命运的基本力量。它的主要目标之一是研究希格斯玻色子，这是一种与希格斯场有关的粒子，它赋予了其他粒子质量。2012年，ATLAS和紧凑介子螺线管(CMS)实验共同发现了希格斯玻色子，这是物理学上具有里程碑意义的成就。

　　该实验还寻找新物理学的迹象，包括质量的起源、额外维度和可能构成暗物质的粒子。ATLAS通过分析质子在大型强子对撞机内以接近光速碰撞时产生的无数粒子来做到这一点。

　　ATLAS探测器本身就是一个技术奇迹。它规模巨大，长约45米，直径25米，重约7000吨。探测器由不同的层组成，每一层都被设计用来探测由质子-质子碰撞产生的不同类型的粒子。它包括一系列的技术:追踪器来探测粒子的路径，量热计来测量它们的能量，μ子光谱仪来识别和测量μ子，一种重电子，是许多物理研究的关键。

　　ATLAS收集的数据是巨大的，通常以pb来描述。这些数据由全球科学家社区进行分析，有助于我们对基础物理学的理解，并可能导致新的发现和技术。

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