Nu wetenschappers het Higgs-deeltje hebben gevonden, gaat de Large Hadron Collider op zoek naar een nog ongrijpbaarder doelwit: donkere materie. We zijn omgeven door donkere materie en donkere energie - onzichtbare stoffen die sterrenstelsels binden, maar zichzelf niet weggeven. Het nieuwe werk schetst een innovatieve methode voor het zoeken naar donkere materie door de Large Hadron Collider door gebruik te maken van de relatief lage snelheid van een potentieel deeltje.
De donkere wereld van donkere materie
"We weten zeker dat er een donkere wereld is en dat er meer energie in zit dan de onze", zegt Lien-Tao Wong, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Chicago die onderzoek doet naar het zoeken naar signalen in grote deeltjesversnellers zoals de LHC. Het werk is gepubliceerd in Physical Review Letters.
Hoewel de donkere wereld meer dan 95% van het universum uitmaakt, weten wetenschappers alleen van het bestaan ervan af van de effecten die het heeft - zoals een poltergeist, die alleen zichtbaar is als er iets beweegt op een plank of als er een lampje knippert. We weten bijvoorbeeld van het bestaan van donkere materie, omdat we het gravitatie-effect ervan zien - het helpt onze sterrenstelsels om niet uit elkaar te vliegen.
Theoretici geloven dat er één speciaal soort donker deeltje is dat periodiek kan interageren met gewone materie. Het zal zwaarder zijn en langer meegaan dan andere bekende deeltjes - tot een tiende van een seconde. Volgens wetenschappers kan zo'n deeltje meerdere keren per decennium worden gevangen in botsingen van protonen bij de LHC, die plaatsvinden en constant worden gemeten.
"Een bijzonder interessante mogelijkheid is dat deze langlevende donkere deeltjes op de een of andere manier verband houden met het Higgs-deeltje - dat de Higgs eigenlijk een poort is naar de donkere wereld", zegt Wong, verwijzend naar de laatste deeltjesfysici die zijn ontdekt in de grote theorie van hoe het universum werkt. … Het Higgsdeeltje werd in 2012 ontdekt bij de LHC. 'Misschien kunnen de Higgs wel vervallen tot deze langlevende deeltjes.'
Het enige probleem is om deze gebeurtenissen van de rest te scheiden; bij de 27 kilometer lange LHC vinden er meer dan een miljard botsingen per seconde plaats, die elk subatomaire nevel in alle richtingen uitzenden.
Promotie video:
Wetenschappers hebben een nieuwe zoekmethode voorgesteld die een bepaald aspect van zo'n donker deeltje gebruikt. "Als het zo zwaar is, heeft het energie nodig om te produceren, dus het momentum zal niet groot zijn - het zal langzamer reizen dan de lichtsnelheid", zegt Jia Liu, de eerste auteur van het onderzoek.
Deze vertraging zorgt ervoor dat het zich onderscheidt van de rest van de deeltjes. Wetenschappers hoeven het systeem alleen maar aan te passen om de deeltjes te vinden die het produceert. Het verschil ligt in het bereik van een nanoseconde - een miljardste van een seconde - of minder. Maar de LHC heeft al slim genoeg detectoren om dit verschil op te vangen; een recent onderzoek met gegevens die zijn verzameld vanaf de laatste lancering van de collider, toonde aan dat deze methode zou moeten werken, en dat de detectoren nog gevoeliger zullen worden met de aanstaande upgrade.
"We verwachten dat deze methode onze gevoeligheid voor langlevende donkere deeltjes met verschillende ordes van grootte zal vergroten, terwijl we tegelijkertijd gebruikmaken van de mogelijkheden die de LHC al heeft", zegt Liu. Experimenten werken al aan het creëren van een val. Wanneer de LHC in 2021 weer wordt ingeschakeld, zullen na een 10-voudige toename van de lichtsterkte alle drie de hoofddetectoren worden uitgerust met een nieuw systeem.
“We denken dat er een groot potentieel is voor ontdekking. Als er een deeltje is, zullen we een manier hebben om het eruit te halen."
Ilya Khel
