大型特罗龙撞机在寻找暗物质中打破了新的地面

宇宙中的暗品分布模拟。

最新的大型强子撞机的追捕，可以追求暗物质的假设粒子。

大型特罗龙撞机（LHC）被追捕并发现HIGGS玻色子，但在10年内，由于机器在高于先前在粒子加速器达到的能量下碰撞质子，研究人员已经使用它来尝试追捕一个同样令人兴奋的粒子：假设颗粒可以弥补一种称为暗物质的无形的物质形式，这比普通问题更普遍的五倍，而我们就像我们所知道的那样没有宇宙。到目前为止，LHC的黑暗物品搜索已经空手而归，因为没有碰撞者搜索，但LHC研究人员的令人难以置信的工作和技巧，发现它已经导致它们缩小了粒子可能的许多区域谎言隐藏 - 在发现的道路上的必要的里程碑。

“在LHC之前，暗物质的可能性比今天宽得多，”LHC暗物质工作组的UC Irvine和理论共同召集人的黑暗物理学蒂维特表示。

“LHC在寻找新的地面中，以弱相互作用的巨大颗粒的形式在寻找暗物质中，通过覆盖通过产生暗物质的生产预测的宽阵列，或者将其与普通物质相互作用的颗粒的产生。所有观察结果都与不包括暗物质的模型一致，并为我们提供重要信息，即什么类型的粒子不能再解释它。结果在如何寻找暗物质的新方向上有了指出的实验主义者，并促使理论家重新思考现有的思想，因为暗物质可能是什么 - 并且在某些情况下提出新的事情。“

做，打破它并摇动它

要查找暗物质，实验基本上“使它变得，打破或摇动”。LHC一直试图通过碰撞质子的束来制作它。一些实验在空间和地面上使用望远镜，以寻找暗质颗粒的间接信号，因为它们碰撞并在空间中突破自己。其他人仍在通过寻找踢腿或“摇晃”直接追逐这些难以捉摸的颗粒，它们给地下探测器的原子核。

制造方法与突破和摇动IT实验互补，如果LHC检测到潜在的暗物质颗粒，则需要从其他实验中确认以证明它确实是暗物颗粒。相反，如果直接和间接实验检测来自暗物颗粒相互作用的信号，则可以设计LHC的实验以研究这种相互作用的细节。

具有缺失横向动量的地图集检测器事件。具有265个GEV（黄色杆）的横向动量的光子通过缺失横向动量（探测器的另一侧的红色虚线）平衡268 GEV。

那么LHC如何寻找质子碰撞中的暗品产迹象？在这种碰撞中存在暗物质颗粒的主要特征是所谓的横向动量。为了寻找此签名，研究人员加上了LHC探测器可以看到的粒子的瞬时 - 更确切地说是对质子的碰撞梁成直角的动量 - 并识别在碰撞前达到总动量所需的任何缺失的动力。总动量应为零，因为在碰撞之前，质子沿着梁的方向行进。但是，如果碰撞后的总动量不为零，则缺失使其零的势力可以通过未检测到的暗物质粒子传递。

缺少动力是LHC两种主要搜索类型的基础。通过所谓的完整新物理模型引导一种类型，例如超对称（Susy）模型。在SUSY模型中，由颗粒物理学标准模型描述的已知颗粒具有超对对称的合作伙伴颗粒，其具有称为旋转的量子特性，其不同于其对应于单位的一半的旋转。另外，在许多SESY模型中，最轻的超对称颗粒是弱相互作用的巨大颗粒（WIMP）。WIMPS是暗物质粒子中最迷人的候选人之一，因为它们可以在宇宙中产生当前的暗物质丰富。针对Susy Wimps寻找从一对暗物质颗粒加上喷雾或“射流”，颗粒和/或称为Leptons的颗粒的缺失动力。

涉及缺失动量签名的另一种搜索是由简化模型引导的，其包括与已知的普通颗粒相互作用的Wimp样的暗物颗粒和介体颗粒。介体可以是已知的颗粒，例如Z玻色子或HIGGS玻色子，或未知的颗粒。这些模型近年来获得了显着的牵引力，因为它们非常简单，但本质上是一般的（完整的模型是特定的，因此范围较窄），它们可以用作基准，以便与LHC和非碰撞者的结果进行比较。物质实验。除了从一对暗物质颗粒的缺失动力之外，该第二种搜索还寻找至少一个高度充高能量的物体，例如颗粒或光子。

在简化模型的背景下，存在缺少动量搜索的替代方案，即寻找非物质粒子，而是通过其转化或“衰减”或“衰变”进入普通颗粒的介体粒子。这种方法在碰撞数据中，在碰撞数据中的平滑背景上寻找凹凸，例如具有两个喷射或两个百壳的事件的质量分布的凹凸。

缩小黑猩猩领土

从这些WIMP搜索中实现的LHC实验是什么？简短的答案是他们还没有发现黑暗物质的迹象。较长的答案是，他们排除了理论Wimp领域的大块，并对暗物颗粒和介体颗粒的性质的允许值施加强烈的限制，例如它们的质量和与其他颗粒的相互作用强度。总结LHC实验的结果，阿特拉斯实验协作成员Caterina Doglioni表示，“我们已经完成了大量的隐形粒子和可见颗粒的专门搜索，这些搜索将发生在涉及暗物质的过程中，并且我们解释了这些搜索的结果许多不同的WIMP黑暗物种情景的条款，从简体模型到SESY模型。这项工作受益于实验主义者和理论家之间的合作，例如关于讨论平台，如LHC暗物质工作组（LHC DM WG），其中包括来自阿特拉斯，CMS和LHCB合作的理论家和代表。将LHC放置在全球WIMP搜索的背景下，包括直接和间接检测实验，也是在黑暗物业社区中的讨论焦点，讨论迄今为止如何在不同实验之间最佳利用协同作用具有同样的科学目标来寻找暗物质。“

给出了使用来自地图集实验的数据，普里斯塔拉PANI，ATLAS实验CO-POPLER的数据，突出了协作最近从机器的第二次运行中搜索的完整LHC数据集（RUN 2）的数据，在2015年和2018年之间收集，寻找Higgs Boson可能腐烂到暗物质粒子的情况。“我们没有发现这种衰减的情况，但我们能够在它发生的可能性上设置最强烈的限制，”Pani说。

菲尔哈里斯，CMS实验CO-CANCER的LHC暗物质工作组，突出显示暗质码介体衰减成两个喷射器，例如最近基于RUN 2数据的CMS搜索。

“这些所谓的Dijet搜索非常强大，因为它们可以探测大量的介质群体和相互作用的优势，”哈里斯说。

Xabier CID Vidal，LHCB实验CON-COPPER的LHC暗物质WG，反过来说明如何在R次运行1和R = BS MESON所谓的粒子的衰变中运行2的数据，使LHCB合作将对SESY模型的强烈限制施加强烈限制包括WIMPS。“BS Meson的衰变成两个μONs对Susy颗粒（例如Susy WIMP）非常敏感，因为衰变发生的频率可能与标准模型预测的频率也是非常不同的，如果SASY颗粒，即使它们的群体也是如此在LHC的情况下直接检测到太高，干扰了衰变，“CID Vidal说。

对暗物质的性质的可能解释。

“10年前，实验（在LHC及其上）正在寻找质子质量（1 GEV）上方的质量的暗物质颗粒，低于几TEV。也就是说，它们是针对古典的WIMP，例如由Susy预测的WIMP。快速前进10年和暗品实验现在正在寻找具有低至约1米高的肿块的WIMP样颗粒，高达100 TEV，“Tait说。“以及诸如LHC的搜索结果，从颗粒的模糊暗物质，从粒子的颗粒制成的模糊暗物质，从粒子制成的颗粒的原始黑洞，以1022 eV的颗粒制成的模糊暗物−质，从而激发了许多其他可能的解释。太阳。鉴于此，黑暗的界已经开始施放更广泛的网来探索更大的可能性景观。“

在撞机前面，LHC研究人员已经开始调查这些新的可能性。例如，他们已经开始看看暗物质是较大的黑暗扇区的一部分具有几种新型的黑暗颗粒的一部分。这些暗扇形颗粒可包括光子的暗品相当于光子，暗光子，其与其他暗扇形颗粒以及已知的颗粒和长寿命的颗粒相互作用，这些颗粒也被SESY模型预测的。

“黑暗部门的情景提供了一套新的实验签名，这是LHC物理学家的新游乐场，”Doglioni说。

“我们现在正在扩展我们熟悉的实验方法，因此我们可以尝试捕获大背景中埋藏的稀有和异常信号。此外，许多其他电流和计划的实验也靶向黑暗的扇区和颗粒比WIMP更加微弱地相互作用。这些实验中的一些，例如新批准的普华粉丝实验，正在与主要的LHC实验共享知识，技术甚至加速度综合体，它们将补充LHC搜索的非WIMP暗物质的范围，如Cern物理所示超越碰撞者倡议。“

最后，LHC研究人员仍在运行2的数据上，到目前为止收集的数据，从运行1和运行2，占实验将记录的总数的约5％。鉴于这一点，以及从迄今为止的许多LHC分析中获得的巨大知识，也许是LHC在未来10年内发现暗品质的粒子的战斗机。“这是我们还没有找到它的事实，我们可能会在不太遥远的未来找到它，让我对我的工作感到兴奋，”哈里斯说。“过去10年已经向我们展示了暗物质可能与我们最初认为的不同，但这并不意味着它不是为了我们找到，”CID Vidal说。

“无论多大或多小，需要多长时间，我们会留下没有石头的石头，”Pani说。