宇宙学者は暗黒物質の働きに魅了されるかもしれませんが、 、素粒子物理学者は暗黒物質に魅了されています .私たちにとって、暗黒物質は当然のことながら粒子である必要がありますが、データの中にまだ潜んでいます。過去数十年間、私たちはこの粒子が何であるか、つまり、新しいクラスの超対称粒子の中で最も軽いものである可能性について、興味をそそる推測をしてきました。超対称性は、粒子と力の標準モデルの拡張であり、ヒッグス粒子の質量の安定性、力の統一、暗黒物質の粒子の性質に関する長引く問題にうまく対処します。実際、超対称性は膨大な数の新しい粒子を予測します。これは、私たちがすでに知っている粒子ごとに 1 つずつです。しかし、それらの新しい粒子の 1 つが暗黒物質を構成する可能性はありますが、私たちの多くにとって、それは単なる副産物にすぎません。
しかし、大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) の最初 (2010 ～ 2012 年) と 2 回目 (2015 ～ 2018 年) のデータを分析した後、超対称粒子はまだ見つかっていません。 .そのため、私たちは超対称性を追求し続けている一方で、宇宙論の同僚が暗黒物質について教えてくれることも新たに見ています。結局のところ、それは標準モデルを超えた新しい物理学の最も強力な実験的証拠です.
実際、LHC と将来のコライダーの主な目標は、暗黒物質を作成して研究することであると言う人もいるかもしれません。そのためには、目に見える宇宙と暗黒の宇宙が互いに通信する手段が必要です。言い換えれば、私たちが衝突する粒子の成分は、基本的な力を介して推定暗黒物質粒子と相互作用できなければなりません。フォースには、フォース キャリアまたはボソンが必要です。電磁力は光子によって運ばれ、弱い核力はいわゆるベクトル ボソンによって運ばれます。暗黒物質と通常の物質との相互作用も例外ではありません。それらは暗黒ボソンの交換によって発生する可能性があります。
私たちの検出器が暗黒ボソン自体を認識していなくても、観測可能な粒子とわずかな相互作用があれば、つまり完全な暗黒でない限り、それらを特定できる見込みがあります。これらの相互作用がどれほど弱いかを考えると、大型ハドロン コライダーはすでにこれらの粒子を生成している可能性があり、私たちはまだそれらに気付くことができていません。
2 つの陽子が衝突して LHC で生成された後、ダーク ボソンは崩壊してダークマター粒子になり、痕跡を残さずに検出器を逃れる可能性があります。しかし、観測したすべての粒子を合計し、運動量の不均衡を探すことで、その存在を推測することができました。これは、何かが失われたことを示しています。あるいは、ダークボソンが崩壊してクォークなどの通常の粒子になり、データに明確なパターンが残る可能性があります。目に見えないボソンの特性を推測するために、粒子法医学を行うことができます。これはまさに、LHC 検出器が設計された仕事の一種であり、これらの信号についてコライダー データを継続的に精査しています。
ただし、この方法でダーク ボソンの検索を行う際に、保証されない可能性のある 1 つの仮定を立てました。それは、ダーク ボソンが瞬時に崩壊するということです。そうでない場合はどうなりますか？暗い宇宙は、暗くなるためには、何らかの方法で通常の宇宙から隔離されなければなりません。これにより、ダーク ボソンが崩壊して通常の物質に戻る前に、短時間ではあるが測定可能な瞬間に存続する可能性があります。崩壊の破片は、2 つの陽子が衝突した時点での実験では現れませんでしたが、かなりの距離だけ移動しました。
LHC実験は、相互作用点から発生する粒子を探すように設計されました。長寿命の粒子 (暗いかどうかに関係なく) の軌跡を追跡することは、いくつかの要因によって複雑になります。それらはより少ない測定値で構成され、ドットを接続するのが難しくなります。それらは非典型的な幾何学的経路をたどり、パターン認識アルゴリズムをさらに妨げます。また、通常のアルゴリズムが予想するよりもはるかに遅れて到着する信号を生成する可能性があります。
しかし、これはまさに物理学者が受け入れる種類の挑戦です。何十年も前のトリックを復活させ、まったく新しい方法を発明することにより、これらの非定型粒子パターンに敏感になるようにアルゴリズムを変更しました。起源の場所から数メートル離れたところまで減衰するダークボソンを検出できるようになったと考えており、これはもっともらしいシナリオをカバーしています。私たちの検出器が記録する通常の物質の粒子が残骸の中にある限り、ダークボソンが崩壊して何になるかはほとんど問題ではありません.
これまでのところ、LHC の最初の低エネルギー実行からのデータには何も見つかりませんでした。しかし、私たちはまだ 2 回目の高エネルギー実行のデータに取り組んでいます。これまでの超対称性探索にこれらの手法が追加されたことで、暗黒物質、暗黒力、またはその両方を発見する絶好の機会が得られました。これまでのところ、最終的に生成されるデータの総量の 1% しか提供していないことを考えると、LHC の暗黒粒子の探索はまだ始まったばかりです。
Antonio Boveia は、コロンバスにあるオハイオ州立大学の物理学教授です。彼は大型ハドロン衝突型加速器での ATLAS 実験で暗黒物質やその他の新しい粒子と力を探しています。
Christopher S. Hill は、コロンバスにあるオハイオ州立大学の物理学教授です。 2012 年から 2013 年にかけて、大型ハドロン衝突型加速器で CMS 実験の副物理コーディネーターを務めました。彼は現在、米国の CMS HL-LHC アップグレードのプロジェクト サイエンティストです。
この記事はもともと 2017 年 2 月に で公開されました ノーチラス コスモス
