Forscher am ATLAS-Experiment des CERN am Large Hadron Collider haben einen neuartigen Ansatz zur Suche nach Dunkler Materie mithilfe halbsichtbarer Jets eingeführt und damit einen bedeutenden Paradigmenwechsel auf diesem Gebiet markiert. Ihre Arbeit liefert neue Richtungen und strenge Obergrenzen für die fortlaufende Suche nach dem Verständnis der Dunklen Materie.
Forscher untersuchen, ob in einem Strahl aus Standardmodellteilchen tatsächlich Teilchen der Dunklen Materie entstehen.
Die Existenz dunkler Materie ist in unserem Universum ein seit langem bestehendes Rätsel. Dunkle Materie macht etwa ein Viertel unseres Universums aus, interagiert jedoch nicht wesentlich mit gewöhnlicher Materie. Die Existenz dunkler Materie wurde durch eine Reihe astrophysikalischer und kosmologischer Beobachtungen bestätigt, unter anderem durch die atemberaubenden aktuellen Bilder des James Webb-Weltraumteleskops. Bisher wurde jedoch keine experimentelle Beobachtung dunkler Materie gemeldet. Die Existenz dunkler Materie ist eine Frage, die Hochenergie- und Astrophysiker auf der ganzen Welt seit Jahrzehnten untersuchen.
Fortschritte in der Forschung zur Dunklen Materie
„Aus diesem Grund betreiben wir Grundlagenforschung und erforschen die tiefsten Geheimnisse des Universums. Der Large Hadron Collider bei CERN ist das größte Experiment, das jemals gebaut wurde, und Teilchenkollisionen, die urknallähnliche Bedingungen erzeugen, können genutzt werden, um nach Hinweisen auf Dunkle Materie zu suchen“, sagt Professor Deepak Kar von der School of Physics der University of the Witwatersrand in Johannesburg, Südafrika .
Eine grafische Darstellung, wie halbsichtbare Jets im ATLAS-Detektor erscheinen, falls sie existieren. Bildnachweis: CERN
Bei der Arbeit am ATLAS-Experiment am CERN haben Kar und seine ehemalige Doktorandin Sukanya Sinha (jetzt Postdoktorandin an der Universität Manchester) eine neue Methode zur Suche nach Dunkler Materie entwickelt. Ihre Forschung wurde in der Zeitschrift veröffentlicht, Physikbriefe B.
Ein neuer Ansatz zur Entschlüsselung der Dunklen Materie
„In den letzten Jahrzehnten gab es eine Vielzahl von Collider-Suchen nach Dunkler Materie, die sich bisher auf schwach wechselwirkende massive Teilchen, sogenannte WIMPs, konzentrierten“, sagt Kar. „WIMPS ist eine Klasse von Teilchen, die vermutlich die Dunkle Materie erklären, da sie kein Licht absorbieren oder emittieren und nicht stark mit anderen Teilchen interagieren. Da jedoch bisher keine Beweise für WIMPS gefunden wurden, wurde uns klar, dass die Suche nach Dunkler Materie einen Paradigmenwechsel erfordert.“
Dr. Sukanya Sinha und Professor Deepak Kar. Bildnachweis: Wits University
„Wir haben uns gefragt, ob dunkle Materieteilchen tatsächlich in einem Strahl aus Standardmodellteilchen erzeugt werden“, sagte Kar. Dies führte zur Erforschung einer neuen Detektorsignatur, der so genannten semi-visible Jets, die Wissenschaftler noch nie zuvor untersucht haben.
Hochenergetische Kollisionen von Protonen führen häufig zur Erzeugung eines gebündelten Partikelsprays, der beim Zerfall gewöhnlicher Quarks oder Gluonen in sogenannten Jets gesammelt wird. Halbsichtbare Jets würden entstehen, wenn hypothetische dunkle Quarks teilweise in Standardmodell-Quarks (bekannte Teilchen) und teilweise in stabile dunkle Hadronen (die „unsichtbare Fraktion“) zerfallen. Da sie paarweise erzeugt werden, typischerweise zusammen mit zusätzlichen Düsen des Standardmodells, entsteht das Ungleichgewicht der Energie oder die fehlende Energie im Detektor, wenn nicht alle Düsen vollständig ausgeglichen sind. Die Richtung der fehlenden Energie stimmt oft mit einem der halbsichtbaren Jets überein.
Dies macht die Suche nach halbsichtbaren Jets zu einer großen Herausforderung, da diese Ereignissignatur auch durch falsch gemessene Jets im Detektor entstehen kann. Kars und Sinhas neue Art, nach dunkler Materie zu suchen, eröffnet neue Wege für die Suche nach der Existenz dunkler Materie.
„Obwohl meine Doktorarbeit keine Entdeckung der Dunklen Materie beinhaltet, legt sie die ersten und ziemlich strengen Obergrenzen für diesen Produktionsmodus fest und inspiriert bereits zu weiteren Studien“, sagt Sinha.
Die ATLAS-Kollaboration am CERN hat dies als eines der wichtigsten Ergebnisse hervorgehoben, die auf Sommerkonferenzen vorgestellt werden.
Referenz: „Suche nach nichtresonanter Produktion halbsichtbarer Jets mithilfe von Daten aus Lauf 2 in ATLAS“ von The ATLAS Collaboration, 11. November 2023, Physikbriefe B.
DOI: 10.1016/j.physletb.2023.138324
Experimente am Large Hadron Collider in Europa, wie das hier gezeigte ATLAS-Kalorimeter, liefern genauere Messungen fundamentaler Teilchen. Bildnachweis: Maximilien Brice, CERN
Das ATLAS-Experiment
Das ATLAS-Experiment ist eines der bedeutendsten wissenschaftlichen Vorhaben am CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung. Es ist ein wichtiger Teil des Large Hadron Collider (LHC), dem größten und leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt. ATLAS liegt in der Nähe von Genf und steht für „A Toroidal LHC ApparatuS“ und konzentriert sich auf die Erforschung grundlegender Aspekte der Physik.
ATLAS wurde entwickelt, um ein breites Spektrum wissenschaftlicher Fragestellungen zu untersuchen. Es geht darum, die grundlegenden Kräfte zu verstehen, die unser Universum seit Anbeginn der Zeit geformt haben und die sein Schicksal bestimmen werden. Zu seinen Hauptzielen gehört die Untersuchung des Higgs-Bosons, des Teilchens, das mit dem Higgs-Feld verbunden ist und anderen Teilchen ihre Masse verleiht. Die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012, eine gemeinsame Anstrengung von ATLAS und dem CMS-Experiment (Compact Muon Solenoid), war ein Meilenstein in der Physik.
Das Experiment sucht auch nach Anzeichen neuer Physik, einschließlich der Ursprünge von Masse, zusätzlichen Dimensionen und Teilchen, aus denen Dunkle Materie bestehen könnte. ATLAS analysiert dazu die unzähligen Teilchen, die entstehen, wenn Protonen im LHC mit nahezu Lichtgeschwindigkeit kollidieren.
Der ATLAS-Detektor selbst ist ein technologisches Wunderwerk. Es hat enorme Ausmaße, etwa 45 Meter lang, 25 Meter im Durchmesser und wiegt etwa 7.000 Tonnen. Der Detektor besteht aus verschiedenen Schichten, die jeweils darauf ausgelegt sind, unterschiedliche Arten von Teilchen zu erkennen, die durch Proton-Proton-Kollisionen entstehen. Es umfasst eine Reihe von Technologien: Tracker zur Erkennung der Pfade von Teilchen, Kalorimeter zur Messung ihrer Energie und Myonenspektrometer zur Identifizierung und Messung von Myonen, einer Art schwerer Elektronen, die für viele physikalische Untersuchungen von entscheidender Bedeutung sind.
Die von ATLAS gesammelten Daten sind riesig und werden oft in Petabytes ausgedrückt. Diese Daten werden von einer globalen Gemeinschaft von Wissenschaftlern analysiert, was zu unserem Verständnis der Grundlagenphysik beiträgt und möglicherweise zu neuen Entdeckungen und Technologien führt.