Large Hadron Collider (LHC) är känd för jakten på och upptäckten av Higgs boson, men under de 10 åren sedan maskinen kolliderade protoner med en energi högre än vad som tidigare uppnåtts vid en partikelaccelerator, forskare har använt den för att försöka jaga en lika spännande partikel:den hypotetiska partikel som kan utgöra en osynlig form av materia som kallas mörk materia, som är fem gånger vanligare än vanlig materia och utan vilket det inte skulle finnas något universum som vi känner det. LHC-sökningarna i mörk materia har hittills kommit tomhänta, liksom sökningar som inte kolliderar, men det otroliga arbete och skicklighet som LHC-forskarna lagt ner för att hitta det har lett dem till att begränsa många av de regioner där partikeln kan ligga gömd – nödvändiga milstolpar på vägen till en upptäckt.

"Innan LHC, utrymmet för möjligheter för mörk materia var mycket bredare än det är idag, " säger mörkmaterieteoretikern Tim Tait från UC Irvine och teorisamordnare för LHC Dark Matter Working Group.

"LHC har verkligen brutit ny mark i sökandet efter mörk materia i form av svagt interagerande massiva partiklar, genom att täcka ett brett spektrum av potentiella signaler som förutsägs av antingen produktion av mörk materia, eller produktion av partiklar som förmedlar dess interaktioner med vanlig materia. Alla de observerade resultaten har varit förenliga med modeller som inte inkluderar mörk materia, och ge oss viktig information om vilka typer av partiklar som inte längre kan förklara det. Resultaten har båda pekat experimentalister i nya riktningar för hur man söker efter mörk materia, och fick teoretiker att ompröva befintliga idéer om vad mörk materia kan vara - och i vissa fall att komma med nya."

Gör det, bryt den och skaka den

Att leta efter mörk materia, experiment i huvudsak "gör det, bryta den eller skaka den. "LHC har försökt att göra det genom att kollidera strålar av protoner. Vissa experiment använder teleskop i rymden och på marken för att leta efter indirekta signaler från mörka materialpartiklar när de kolliderar och bryter sig ut i utrymme. Andra jagar fortfarande dessa svårfångade partiklar direkt genom att söka efter sparkarna, eller "skakar, " de ger till atomkärnor i underjordiska detektorer.

Make-it-metoden är ett komplement till break-it- och shake-it-experimenten, och om LHC upptäcker en potentiell mörk materia partikel, det kommer att krävas bekräftelse från de andra experimenten för att bevisa att det verkligen är en partikel av mörk materia. Däremot, om de direkta och indirekta experimenten upptäcker en signal från en interaktion med mörk materia partikel, experiment vid LHC skulle kunna utformas för att studera detaljerna i en sådan interaktion.

Missing-momentum signal och stötjakt

Så hur har LHC letat efter tecken på produktion av mörk materia vid protonkollisioner? Huvudsignaturen för närvaron av en partikel i mörk materia vid sådana kollisioner är den så kallade saknade tvärgående momentum. För att leta efter denna signatur, forskare lägger ihop momentan för partiklarna som LHC-detektorerna kan se – närmare bestämt momentan i rät vinkel mot de kolliderande strålarna av protoner – och identifierar eventuella saknade momentum som behövs för att nå det totala momentumet före kollisionen. Den totala rörelsemängden bör vara noll eftersom protonerna färdas längs strålarnas riktning innan de kolliderar. Men om det totala momentumet efter kollisionen inte är noll, det saknade momentumet som behövdes för att göra det noll kunde ha förts bort av en oupptäckt mörk materia partikel.

Missing momentum är grunden för två huvudtyper av sökning vid LHC. En typ styrs av så kallade kompletta nya fysikmodeller, som supersymmetri (SUSY) modeller. I SUSY-modeller, de kända partiklarna som beskrivs av standardmodellen för partikelfysik har en supersymmetrisk partnerpartikel med en kvantegenskap som kallas spinn som skiljer sig från sin motsvarighet med hälften av en enhet. Dessutom, i många SUSY-modeller, den lättaste supersymmetriska partikeln är en svagt interagerande massiv partikel (WIMP). WIMPs är en av de mest fängslande kandidaterna för en mörk materia partikel eftersom de kan generera det nuvarande överflöd av mörk materia i kosmos. Sökningar som är inriktade på SUSY WIMPs letar efter saknat momentum från ett par mörk materia partiklar plus en spray, eller "jet, " av partiklar och/eller partiklar som kallas leptoner.

En annan typ av sökning som involverar signaturen med saknad momentum styrs av förenklade modeller som inkluderar en WIMP-liknande mörkmateriapartikel och en mediatorpartikel som skulle interagera med de kända vanliga partiklarna. Mediatorn kan antingen vara en känd partikel, som Z-bosonen eller Higgs-bosonen, eller en okänd partikel. Dessa modeller har vunnit betydande dragkraft de senaste åren eftersom de är mycket enkla men ändå generella till sin natur (kompletta modeller är specifika och därmed snävare i omfattning) och de kan användas som riktmärken för jämförelser mellan resultat från LHC och från icke-kolliderande mörker. materieexperiment. Förutom att sakna momentum från ett par mörka partiklar, denna andra typ av sökning letar efter åtminstone ett mycket energiskt föremål, såsom en stråle av partiklar eller en foton.

I samband med förenklade modeller, det finns ett alternativ till sökningar som saknar momentum, vilket är att leta inte efter mörkmateripartikeln utan efter mediatorpartikeln genom dess transformation, eller "förfall, " till vanliga partiklar. Detta tillvägagångssätt letar efter en stöt över en jämn bakgrund av händelser i kollisionsdata, såsom en bula i massfördelningen av händelser med två jetstrålar eller två leptoner.

Minskar WIMP -territoriet

Vilka resultat har LHC-experimenten uppnått från dessa WIMP-sökningar? Det korta svaret är att de ännu inte har hittat tecken på WIMP mörk materia. Det längre svaret är att de har uteslutit stora bitar av det teoretiska WIMP-territoriet och sätter starka gränser för de tillåtna värdena för egenskaperna hos både mörkmaterialpartikeln och mediatorpartikeln, såsom deras massor och interaktionsstyrkor med andra partiklar. Sammanfattning av resultaten från LHC-experimenten, ATLAS-experimentsamarbetsmedlem Caterina Doglioni säger "Vi har slutfört ett stort antal dedikerade sökningar efter osynliga partiklar och synliga partiklar som skulle inträffa i processer som involverar mörk materia, och vi har tolkat resultaten av dessa sökningar i termer av många olika WIMP mörk materia scenarier, från förenklade modeller till SUSY-modeller. Detta arbete gynnades av samarbetet mellan experimentalister och teoretiker, till exempel på diskussionsplattformar som LHC Dark Matter Working Group (LHC DM WG), som inkluderar teoretiker och representanter från ATLAS, CMS och LHCb samarbeten. Att placera LHC-resultaten i kontexten av den globala WIMP-sökningen som inkluderar direkt- och indirekt-detektionsexperiment har också varit ett fokus för diskussion i mörkermateria-gemenskapen, och diskussionen fortsätter hittills om hur man bäst kan utnyttja synergier mellan olika experiment som har samma vetenskapliga mål att hitta mörk materia."

Ge ett specifikt exempel på ett resultat som erhållits med data från ATLAS-experimentet, Priscilla Pani, ATLAS-experiment som sammankallade LHC Dark Matter WG, belyser hur samarbetet nyligen har sökt igenom hela LHC-dataset från maskinens andra körning (körning 2), samlat in mellan 2015 och 2018, att leta efter fall där Higgs-bosonen kan förfalla till partiklar av mörk materia. "Vi hittade inga fall av detta förfall men vi kunde sätta de starkaste gränserna hittills för sannolikheten att det inträffar, säger Pani.

Phil Harris, CMS-experiment medsamordnare av LHC Dark Matter Working Group, belyser sökningar efter en förmedlare av mörk materia som förfaller till två jetstrålar, till exempel en nyligen genomförd CMS-sökning baserad på Run 2-data.

"Dessa så kallade dijet-sökningar är mycket kraftfulla eftersom de kan undersöka ett stort antal medlarmassor och interaktionsstyrkor, säger Harris.

Xabier Cid Vidal, LHCb-experimentets sammankomster av LHC Dark Matter WG, noterar i sin tur hur data från körning 1 och körning 2 om förfallet av en partikel som kallas Bs -meson har gjort det möjligt för LHCb -samarbetet att sätta starka gränser för SUSY -modeller som inkluderar WIMP. "Sönderfallet av Bs-mesonen till två myoner är mycket känsligt för SUSY-partiklar, som SUSY WIMPs, eftersom frekvensen med vilken sönderfallet inträffar kan skilja sig mycket från den som förutsägs av standardmodellen om SUSY-partiklar, även om deras massor är för höga för att kunna detekteras direkt vid LHC, störa förfallet, säger Cid Vidal.

Kasta ett bredare nät

"Tio år sedan, experiment (vid LHC och bortom) sökte efter mörk materia partiklar med massor över protonmassan (1 GeV) och under några TeV. Det är, de var inriktade på klassiska WIMPs som de som förutspåtts av SUSY. Spola framåt 10 år och experiment med mörk materia söker nu efter WIMP-liknande partiklar med massor så låga som runt 1 MeV och så höga som 100 TeV, " säger Tait. "Och nollresultaten från sökningar, som på LHC, har inspirerat många andra möjliga förklaringar till den mörka materiens natur, från flummig mörk materia gjord av partiklar med så låga massor som 10−22 eV till ursprungliga svarta hål med massor som motsvarar flera solar. I ljuset av detta, samhället av mörk materia har börjat kasta ett bredare nät för att utforska ett större landskap av möjligheter."

På kolliderfronten, LHC-forskarna har börjat undersöka några av dessa nya möjligheter. Till exempel, de har börjat titta på hypotesen att mörk materia är en del av en större mörk sektor med flera nya typer av mörka partiklar. Dessa mörka partiklar kan inkludera en motsvarighet av mörk materia till fotonen, den mörka fotonen, som skulle interagera med de andra mörka partiklarna såväl som de kända partiklarna, och långlivade partiklar, som också förutspås av SUSY -modeller.

"Scenarier från den mörka sektorn ger en ny uppsättning experimentella signaturer, och det här är en ny lekplats för LHC-fysiker, säger Doglioni.

"Vi expanderar nu på de experimentella metoder som vi är bekanta med, så vi kan försöka fånga sällsynta och ovanliga signaler begravda i stora bakgrunder. Dessutom, många andra pågående och planerade experiment riktar sig också mot mörka sektorer och partiklar som interagerar mer svagt än WIMP:er. Några av dessa experiment, som det nyligen godkända FASER-experimentet, delar kunskap, teknologi och till och med acceleratorkomplex med de viktigaste LHC-experimenten, och de kommer att komplettera räckvidden av LHC-sökningar efter icke-WIMP mörk materia, som visas av initiativet CERN Physics Beyond Colliders. "

Till sist, LHC -forskarna arbetar fortfarande med data från körning 2, och de uppgifter som hittills samlats in, från åk 1 och åk 2, är bara cirka 5 % av den totala summan som experimenten kommer att registrera. Med tanke på detta, såväl som den enorma kunskap som har vunnits från de många LHC-analyser som hittills genomförts, Det finns kanske en chans att LHC kommer att upptäcka en mörk materia partikel under de kommande 10 åren. "Det är det faktum att vi inte har hittat det än och möjligheten att vi kan hitta det inom en inte så avlägsen framtid som gör att jag är upphetsad över mitt jobb, " säger Harris. "De senaste 10 åren har visat oss att mörk materia kan vara annorlunda än vad vi först trodde, men det betyder inte att det inte finns där för oss att hitta, säger Cid Vidal.

"Vi lämnar ingen sten ovänd, oavsett hur stor eller liten och hur lång tid det kommer att ta oss, säger Pani.