Wird das Higgs-Boson Wissenschaftlern helfen, dunkle Materie einzufangen?

Komplexes unregelmäßiges blaues Netzwerk mit winzigen gelben Punkten entlang und zwischen den Strängen.

Eine Visualisierung dunkler Materie. Bild über Zarija Lukic/Berkeley Lab.


Diese Geschichte erschien ursprünglich als „Scientists Invent Way to Trap Mysterious 'Dark World' Particle at Large Hadron Collider“ von Louis Lerner vonUChicgo-Neuigkeiten

Nachdem sie das Higgs-Boson identifiziert haben, haben Wissenschaftler desLarge Hadron Collider(LHC) – der weltweit größte und leistungsstärkstePartikelbeschleuniger– haben ein noch schwerer fassbares Ziel im Visier.


Was genau ist das Higgs-Boson?

Überall um uns herum istDunkle Materieunddunkle Energie– das unsichtbare Zeug, das die Galaxie zusammenhält, das aber niemand direkt entdecken konnte.LianTao Wangist ein Physikprofessor an der University of Chicago, der untersucht, wie man Signale in großen Teilchenbeschleunigern wie dem LHC findet. Wang sagte:

Wir wissen mit Sicherheit, dass es eine dunkle Welt gibt, in der mehr Energie steckt als in unserer.

Wang, zusammen mit Wissenschaftlern der University of Chicago und angegliedertenFermilab, denken, sie könnten uns auf seine Spuren führen; in einem Papierveröffentlicht3. April 2019, inPhysische Überprüfungsschreiben, entwickelten sie eine innovative Methode, um dunkle Materie im LHC zu verfolgen, indem sie die etwas langsamere Geschwindigkeit eines potenziellen Teilchens ausnutzten.


Riesige Maschine, winzige Person, die für den Maßstab darin steht, mit riesigen radialen Rohren, die aus der Mitte herauskommen.

Der Large Hadron Collider (LHC) ist die größte Maschine der Welt. Es liegt in einem Tunnel 575 Fuß (175 Meter) unter der französisch-schweizerischen Grenze. Bild überCERN.

Während die dunkle Welt mehr als 95 Prozent des Universums ausmacht, wissen Wissenschaftler nur aufgrund ihrer Auswirkungen, dass sie existiert – wie ein Poltergeist, den man nur sehen kann, wenn er etwas aus dem Regal schiebt. Wir wissen zum Beispiel, dass es dunkle Materie gibt, weil wir die Schwerkraft auf sie einwirken sehen – sie hilft, unsere Galaxien daran zu hindern, auseinander zu fliegen.

Theoretiker glauben, dass es eine bestimmte Art von dunklen Teilchen gibt, die nur gelegentlich mit normaler Materie wechselwirkt. Es wäre schwerer und langlebiger als andere bekannte Teilchen mit einer Lebensdauer von bis zu einer Zehntelsekunde. Forscher glauben, dass dieses Teilchen einige Male in einem Jahrzehnt in die Kollisionen von Protonen geraten kann, die der LHC ständig erzeugt und misst. Wang sagte:

Eine besonders interessante Möglichkeit besteht darin, dass diese langlebigen dunklen Teilchen in irgendeiner Weise an das Higgs-Boson gekoppelt sind – dass das Higgs tatsächlich ein Portal zur dunklen Welt ist.


Wang bezieht sich auf das Higgs-Boson – das letzte Holdout-Teilchen in der großen Theorie der Physiker über die Funktionsweise des Universums.2012 am LHC entdeckt. Er sagte:

Es ist möglich, dass die Higgs tatsächlich in diese langlebigen Teilchen zerfallen.

Das einzige Problem besteht darin, diese Ereignisse vom Rest zu trennen; im 27 Kilometer langen LHC gibt es mehr als eine Milliarde Kollisionen pro Sekunde, und jede davon schickt subatomare Spreu in alle Richtungen.

Wang, Postdoc der University of ChicagoJia Liuund Fermilab-WissenschaftlerZhen Liu(jetzt an der University of Maryland) schlug eine neue Art der Suche vor, indem sie einen bestimmten Aspekt eines solchen dunklen Teilchens ausnutzte. Liu, der Erstautor der Studie, sagte:


Wenn es so schwer ist, kostet es Energie in der Herstellung, daher wäre sein Impuls nicht groß – es würde sich langsamer als Lichtgeschwindigkeit bewegen.

Diese Zeitverzögerung würde es von allen anderen normalen Teilchen unterscheiden. Wissenschaftler müssten das System nur optimieren, um nach Teilchen zu suchen, die produziert werden und dann etwas langsamer zerfallen als alles andere.

Der Unterschied liegt in der Größenordnung einer Nanosekunde – einem Milliardstel einer Sekunde – oder kleiner. Aber der LHC verfügt bereits über Detektoren, die ausgereift genug sind, um diesen Unterschied zu erfassen; einKürzlich durchgeführte StudieMit den Daten des letzten Laufs sollte die Methode funktionieren, und die Detektoren werden im Rahmen des derzeit laufenden Upgrades noch empfindlicher. Liu sagte:

Wir gehen davon aus, dass diese Methode unsere Empfindlichkeit gegenüber langlebigen dunklen Teilchen um mehr als eine Größenordnung erhöhen wird – bei gleichzeitiger Nutzung der Fähigkeiten, die wir bereits am LHC haben.

Experimentalisten arbeiten bereits daran, die Falle zu bauen: Wenn sich der LHC 2021 wieder einschaltet, nachdem er seine Leuchtkraft um das Zehnfache erhöht hat, werden alle drei großen Detektoren das neue System implementieren, sagten die Wissenschaftler. Liu sagte:

Wir glauben, dass es ein großes Entdeckungspotenzial hat.

Wang fügte hinzu:

Wenn das Teilchen da ist, müssen wir nur einen Weg finden, es auszugraben. Normalerweise liegt der Schlüssel darin, die zu stellende Frage zu finden.

Fazit: Jetzt, da sie das Higgs-Boson identifiziert haben, haben die Wissenschaftler des Large Hadron Collider ein noch schwerer fassbares Ziel im Visier – dunkle Materie und dunkle Energie.

Quelle: Verbesserung der Suche nach langlebigen Partikeln am LHC mit präzisen Timing-Informationen