任重而道遠:尋找神秘暗物質的關鍵——超對稱粒子

2020-11-23 前瞻網

世界上最大的原子加速器可能正在失去它的暗物質。但是，物理學家們對這些丟失的暗物質有了更清晰的認識(如果暗物質存在的話)。

ATLAS是日內瓦大型強子對撞機(LHC)的超大粒子探測器，因2012年發現希格斯玻色子而聞名於世，現在它已經開始尋找更奇特的粒子——包括理論上的「超對稱」粒子，或者說宇宙中所有已知粒子的伴侶粒子。

如果超對稱粒子是真實存在的話，那麼其中的一些粒子可以解釋充斥著宇宙的那些看不見的暗物質。而今年3月，一次以ATLAS為中心的會議公布了兩項研究結果，為我們提供了目前對這些假設粒子的最精確描述。

看不見的物質

讓我們先從頭說起。

暗物質是構成宇宙大部分的看不見的物質，儘管沒有人能看到它，但我們有很多理由懷疑它的存在，其中最明顯的就是星系的存在。

環顧我們的宇宙，研究人員可以看到，就星系裡面的可見恆星和其他普通物質來說，星系的質量似乎還不夠大，並不足以維持自身的存在。如果我們能看到的東西就是星系包含的所有物質的話，那麼那些星系就會散開來。這表明一些看不見的暗物質聚集在了星系當中，並通過引力將這些星系聚集在了一起。

但是沒有一種已知的粒子可以解釋宇宙中的星系網絡。因此，大多數物理學家都認為宇宙中的暗物質是由我們從未見過的某種粒子(或多種粒子)構成的。

實驗物理學家已經建造了許多探測器來試圖捕捉它們。

這些實驗以不同的方式進行，但本質上，許多實驗就是把一大塊東西放在一個非常暗的房間裡，然後對它進行非常仔細的觀察。該理論認為，一些暗物質粒子最終會撞擊到大塊物質中，並使其出現閃光，而根據物質的性質和發光性質，物理學家將了解暗物質粒子會是什麼樣子。

但ATLAS採取了相反的方法，它在地球最明亮的地方之一尋找暗物質粒子。大型強子對撞機是一個非常大的機器，它能夠以令人難以置信的高速將粒子撞在一起，在其數英裡長的管道內，粒子不斷進行碰撞，爆炸出新的粒子。當ATLAS發現希格斯玻色子時，它看到的實際上是一堆由大型強子對撞機創造的希格斯玻色子。

一些理論家認為，大型強子對撞機也可能創造出了特定種類的暗物質粒子：已知粒子的超對稱伴侶粒子。「超對稱」一詞指的是一種理論，該理論認為物理學中許多已知粒子都有尚未發現的「伴侶粒子」，而這些「伴侶粒子」比這些已知粒子更難探測到。這個理論還沒有得到證實，但如果它是正確的話，它將會簡化目前粒子物理學中許多混亂的方程式。

不過具有正確性質的超對稱粒子也有可能可以解釋宇宙中部分或全部缺失的暗物質，如果它們可以在大型強子對撞機上製造出來的話，ATLAS應該能夠觀察到它們。

尋找超對稱粒子

但有一個問題。物理學家越來越相信，如果大型強子對撞機可以產生這些超對稱粒子的話，那麼它們在衰變之前就會飛出探測器。這就成問題了，因為ATLAS觀測器並不會直接探測奇異的超對稱粒子，ATLAS只會觀測超對稱粒子衰變後變成的常見粒子，然而，如果超級對稱粒子在衰變前就飛出了大型強子對撞機的話，那麼ATLAS就不會看到這種粒子。因此，它的研究人員提出了一個創造性的替代方案：利用大型強子對撞機中數百萬次粒子碰撞的統計數據進行搜尋，以尋找證據證明缺少了其他一些東西。

研究人員在一份聲明中說：「它們的存在只能通過碰撞失去的橫向動量的大小來推斷。」

然而，準確測量失去的動量是一項艱巨的任務。

研究人員說：「在大型強子對撞機產生大量重疊碰撞的密集環境中，很難區分真的動量和『假』的動量。」

到目前為止，這場搜尋還沒有發現任何線索，但這並不代表一無所獲，每當一個特定的暗物質實驗失敗時，研究人員就知道暗物質不會像什麼，物理學家稱這種縮小範圍的過程在「約束」暗物質。

今年3月的這兩個結果是基於對動量缺失統計是搜尋結果，它們表明如果某些潛在超對稱暗物質(超帶電子、超輕子和超對稱底夸克)確實存在的話，它們必須具有ATLAS尚未排除的特徵。

如果目前的超對稱性模型是正確的話，一對超帶電子的重量必須至少是一個質子質量的447倍，一對超輕子的質量必須至少是一個質子質量的746倍。

同樣，根據目前的模型，超對稱底夸克的質量至少是質子質量的1545倍。

ATLAS已經完成了對更輕的超帶電子，超輕子和底夸克的尋找，研究人員說，他們有95%的信心認為它們不存在。

在某些方面，雖然對暗物質的探索似乎總是缺少有價值的發現(這多少可能會令人失望)，但這些物理學家仍然保持樂觀。

他們在一份聲明中說，這些結果「對重要的超對稱場景有很大的約束作用，這將指導ATLAS 未來的搜索。」

因此，ATLAS現在有了一種尋找暗物質和超對稱性的新方法，不過目前還沒有發現任何暗物質或超對稱粒子。

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