Antiprotonproduktionstvärsnitt i kollisioner av LHC-protoner med heliumkärnor som en funktion av antiprotonenergin i olika energiområden. Några av de mest populära modellerna inom kosmisk strålfysik representeras av de färgade heldragna linjerna, och LHCb -resultaten är datapunkterna överlagrade. Spridningen bland modellprognoser indikerar den stora osäkerheten om värdet av antimaterieproduktionstvärsnittet i proton-heliumkollisioner före LHCb-mätningen. Det måste noteras att den vertikala skalan är logaritmisk, därför motsvarar en liten vertikal förskjutning (av datapunkterna) en verkligt stor skillnad med avseende på de teoretiska modellerna, representeras av de färgade linjerna. Kredit:LHCb -samarbete
Förra veckan på 52:e Rencontres de Moriond EW i La Thuile, Italien, LHCb -experimentet presenterade resultaten av en aldrig tidigare skådad och ovanlig studie. Istället för de vanliga proton-protonkollisionerna, den här gången registrerade LHCb -detektorn kollisioner mellan protoner och heliumkärnor, som injicerades nära experimentets interaktionspunkt. Denna typ av kollision kan vanligtvis bara ses långt över jordens atmosfär, där kosmiska strålpartiklar-mycket energiska partiklar från utsidan av solsystemet-träffade interstellärt "damm" som främst består av väte och helium, och detekteras genom satellitbaserade experiment. Forskare vill bättre förstå denna process och, särskilt, försöker förstå hur många antiprotoner som skapas när de högenergiska kosmiska strålprotonerna träffar heliumkärnorna i det interstellära mediet.
Den yttersta anledningen till detta hänför sig till sökandet efter signaler från mörk materia. Mörk materia är en osynlig typ av materia-det vill säga att den inte avger någon typ av elektromagnetisk strålning-som utgör en fjärdedel av materienergiinnehållet i vårt universum, men dess ursprung är ännu okänt. Om mörk materia är gjord av någon form av (ännu inte upptäckta) stabila partiklar, vars existens förutses i många utvidgningar av standardmodellen för partikelfysik, dessa partiklar av mörk materia kan kollidera och producera vanliga partiklar och antipartiklar, särskilt antiprotoner.
Dock, antiprotoner kan också skapas via kollision av kosmiska strålningsprotoner med väte- och heliumkärnor i det interstellära mediet. Därför, ett potentiellt tecken på närvaron av mörk materia kan vara observation av ett antal antiprotoner som överstiger det som förväntas från "standard" -processer. Och verkligen, de rymdbaserade experimenten PAMELA och AMS-02 hittade exakt ett så intressant överskott av antiprotoner jämfört med protoner i kosmiska strålmätningar, med en imponerande precision.
Eureka? Tyvärr inte ännu, eftersom vår teoretiska förståelse av antiprotonproduktion från kosmiska strålkollisioner fortfarande påverkas av stora osäkerheter, särskilt vad gäller sannolikheten för antiprotonproduktion vid proton-heliumkollisioner (det så kallade "tvärsnittet"). En exakt bestämning av det förväntade antalet antiprotoner från kosmiska strålar har hittills varit omöjligt, vilket förhindrar en enkel tolkning av satellitförsökens resultat.
Ett exempel på en fullständigt rekonstruerad händelse av proton-helium-kollision i LHCb-detektorn. Partikeln som identifieras som ett antiproton visas i rosa. Kredit:LHCb -samarbete
Här kom LHCb -experimentet in. Tanken med att injicera ädla gaser - som neon, helium och argon-in i strålröret nära interaktionsregionen föreslogs av olika skäl relaterade till mätningar av protonstrålens ljusstyrka. Men dess potential erkändes snabbt av LHCb-fysikerna och deras kollegor som arbetar med astropartikelfysik:gasinjektionstekniken kan också användas för att simulera den kosmiska miljön och mäta, för första gången, produktionstvärsnittet av antiprotoner vid proton-heliumkollisioner.
Proton-heliumkollisionsdata som används i denna analys registrerades i början av maj 2016. Tack vare dess specialiserade förmåga att identifiera olika partiklar, i synnerhet antiprotoner, LHCb-experimentet kunde också mäta antiprotonproduktionstvärsnittet i ett stort antal relevanta energier, uppnå en övergripande precision på cirka 10%. Denna mätning minskar avsevärt osäkerheten om värdena för antimaterieproduktionstvärsnittet i proton-heliumkollisioner som hittills har använts i teoretiska kosmiska strålmodeller (se bilden nedan).
LHCb-resultatet kommer att ha en betydande inverkan på förutsägelserna för antalet antiprotoner som förväntas från kosmiska strålkollisioner med det interstellära mediet, och astrofysikgemenskapen är nu upptagen med att införliva det i sina beräkningar. Detta arbete kommer att möjliggöra tolkning av PAMELA- och AMS-02-data om antiprotonflödet från rymden att bli mer begränsad, belyser dess möjliga ursprung i mörk materia.
Mer information om detta resultat finns på LHCb:s webbplats.
