大型ハドロン衝突型加速器への革新的なアプローチ

研究者は、標準モデル粒子のジェットの中で暗黒物質粒子が実際に生成されるかどうかを研究しています。

暗黒物質の存在は、私たちの宇宙における長年の謎です。 暗黒物質は宇宙の約 4 分の 1 を占めていますが、通常の物質とはあまり相互作用しません。 暗黒物質の存在は、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡によって撮影された最近の驚くべき画像を含む、一連の天体物理学および宇宙論的な観測によって確認されています。 しかし、これまでに暗黒物質の実験的観測は報告されていない。 暗黒物質の存在は、世界中の高エネルギー科学者や天体物理学者が数十年にわたって研究してきた問題です。

暗黒物質研究の進歩

「これが、私たちが宇宙の最も深い秘密を探るために基礎科学の研究を行っている理由です。大型ハドロン衝突型加速器」 ケルン ヨハネスブルグのウィットウォータースランド大学物理学部のディーパック・カー教授は、「これはこれまでに行われた最大の実験であり、ビッグバンのような状態を生み出す粒子衝突を利用して、暗黒物質の兆候を探ることができる」と述べている。南アフリカ。 。

可視近くのジェットが存在する場合に ATLAS 検出器にどのように表示されるかをグラフで表現したもの。 クレジット: CERN

CERN で ATLAS 実験に取り組んでいたカー氏と元博士課程の学生 Sukanya Sinha (現在はマンチェスター大学の博士研究員) は、暗黒物質を探索する新しい方法を考案しました。 彼らの研究は雑誌に掲載されました。 物理文字 B。

暗黒物質を検出するための新しいアプローチ

「過去数十年にわたり、LHCでは暗黒物質の探索が数多く行われており、WIMPと呼ばれる弱く相互作用する巨大粒子に焦点が当てられてきました」とカー氏は言う。 「WIMPS は、光を吸収したり放出したりせず、他の粒子と強く相互作用しないため、暗黒物質を説明すると仮定されている粒子のクラスの 1 つです。しかし、これまでのところ WIMP の存在の証拠は見つかっていないため、我々は、暗黒物質の探索には量子の飛躍が必要であることに気づきました。

Sukanya Sinha博士とDeepak Kar教授。 クレジット: ウィッツ大学

「私たちが疑問に思っていたのは、標準模型の粒子の流れの中で暗黒物質の粒子が実際に生成されているのかということでした」とカー氏は言う。 これにより、科学者たちがこれまで観察したことのなかった、近可視ジェットとして知られる新しい検出器の特徴が発見されました。

高エネルギー陽子の衝突では、通常のクォークやグルーオンの崩壊から、いわゆるジェットとして集められた粒子の平行スプレーが生成されることがよくあります。 半可視の流れは、仮想ダーク クォークが部分的に標準模型クォーク (既知の粒子) に崩壊し、部分的に安定したダーク ハドロン (「不可視部分」) に崩壊するときに発生する可能性があります。 これらは通常、追加の標準モデルのジェットと組み合わせてペアで製造されるため、すべてのジェットのバランスが完全に取れていない場合、検出器内でエネルギーの不均衡またはエネルギー損失が発生します。 失われたエネルギーの方向は、ほとんど目に見えるジェットの 1 つと一致することがよくあります。

このイベントの兆候は、検出器で誤って測定されたジェットによっても発生する可能性があるため、これにより、目に見える近くのジェットの検索が非常に困難になります。 カーとシンハの暗黒物質探索の新しい方法は、暗黒物質の存在の探索に新たな方向性を開きます。

「私の博士論文には暗黒物質の発見は含まれていませんが、この生成様式に最初のかなり厳しい上限が設定されており、すでにさらなる研究に刺激を与えています」とシンハ氏は言う。

CERN での ATLAS との共同作業は、夏のカンファレンスで発表される重要な成果の 1 つとしてこれを強調しました。

参考文献：「ATLAS Run 2 データを使用した近可視ジェットの非共鳴生成の調査」The ATLAS Collaboration、2023 年 11 月 11 日 物理文字 B。
土井: 10.1016/j.physletb.2023.138324

ここに示されている ATLAS 熱量計など、ヨーロッパの大型ハドロン衝突型加速器での実験では、基本粒子のより正確な測定が可能です。 画像出典: マクシミリアン・プライス、CERN

アトラス体験

ATLAS 実験は、欧州原子核研究機構 CERN における最も重要な科学的取り組みの 1 つです。 これは、世界最大かつ最も強力な粒子加速器である大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) の重要な部分です。 ジュネーブ近郊にある ATLAS (「A Toroidal LHC ApparatuS」の略) は、物理学の基本的な側面の探求に焦点を当てています。

ATLAS は、幅広い科学的疑問を調査するように設計されています。 それは、太古の昔から私たちの世界を形作り、その運命を決定する根本的な力を理解しようとしています。 その主な目標の 1 つは、他の粒子に質量を与えるヒッグス場に関連する粒子であるヒッグス粒子を研究することです。 ATLAS と CMS (コンパクトミュオンソレノイド) 実験の共同研究による 2012 年のヒッグス粒子の発見は、物理学における画期的な成果でした。

この実験では、質量の起源、余剰次元、暗黒物質を構成する可能性のある粒子など、新しい物理学の兆候も探求されます。 ATLAS は、LHC 内で陽子が光速に近い速度で衝突するときに生成される無数の粒子を分析することによってこれを行います。

ATLAS 検出器自体は驚異的な技術です。 長さ約45メートル、直径約25メートル、重さ約7,000トンという巨大なものです。 検出器はさまざまな層で構成されており、各層は陽子と陽子の衝突によって生じるさまざまな種類の粒子を検出するように設計されています。 これには、粒子の軌道を検出するトレーサー、粒子のエネルギーを測定する熱量計、物理学研究の基礎となる重電子の一種であるミューオンを識別して測定するミューオン分光計など、さまざまなテクノロジーが含まれています。

ATLAS によって収集されるデータは膨大で、多くの場合ペタバイト単位に達します。 このデータは世界的な科学者コミュニティによって分析され、基礎物理学の理解に貢献し、新たな発見や技術につながる可能性があります。