如何用大型强子对撞机寻找暗物质？科学家称挑战很大

如果找不到暗物质，可以试试先寻找暗相互作用

　　北京时间10月30日消息，宇宙学家可能着迷于暗物质“能做什么”，而粒子物理学家则更关心暗物质“是什么”。对粒子物理学家来说，暗物质应该（理所当然地）是一种粒子，尽管仍然找不到任何有关它的数据。过去几十年来，我们对于这种粒子究竟是什么有一个诱人的猜想，即这是一类新的超对称粒子中最轻的一种粒子。超对称是粒子和力的标准模型的延伸，很好地解决了希格斯玻色子的质量，以及力的性质和暗物质粒子特性等悬而未决的问题。事实上，超对称预言了大量的新粒子——我们已知的每种粒子都有其相对应的超对称粒子。尽管这些新粒子中可能有一种组成了暗物质，但对于许多粒子物理学家来说，这可能只是一个令人高兴的意外结果。不过，在对大型强子对撞机（LHC）第一次（2010—2012）和第二次（2015—2018）运行的数据分析之后，物理学家并未发现超对称粒子——事实上除了希格斯玻色子之外没有任何新的粒子。因此，在继续寻找超对称粒子的同时，粒子物理学家也在尝试从新的角度看待宇宙学家所了解的暗物质。
　　事实上，有些人认为，LHC和未来的对撞机的主要目标之一便是创造和研究暗物质。要实现这一目标，就必须有一种可以使可见宇宙和暗物质宇宙相互交流的方法。换句话说，我们所碰撞的粒子必须能够通过基本相互作用（又称宇宙基本力）与假定存在的暗物质粒子相互作用。力需要携带的媒介，或称玻色子。电磁力以光子为媒介，弱核力的媒介粒子则是W和Z玻色子。暗物质与常规物质的相互作用应该没什么不同，其发生可能是通过交换“暗玻色子”。

　　标准模型中的每种粒子可能都有对应的超对称粒子，但寻找这些看不见的粒子显然比物理学家原先预计的更加困难。

　　即使我们的探测器没有注意到暗玻色子本身，我们也有希望通过它们与一些微小的可观测粒子的相互作用来发现它们——如果它们不是完全“黑暗”的话。考虑到这些相互作用极其微弱，大型强子对撞机可能已经产生了暗物质粒子，只是我们还无法发现它们。
　　两个质子在大型强子对撞机里碰撞时可能已经产生了暗玻色子，而暗玻色子可能会衰变为暗物质粒子，这一过程躲过了探测器，不留下半点痕迹。但是，通过合计所有观察到的粒子，并找出动量的不平衡——意味着有什么东西消失了——或许就能推导出暗物质粒子的存在。另一种方法是，暗玻色子可能会衰变为普通粒子，比如夸克，从而在我们的数据中留下清晰的模式。我们可以对看不见的玻色子进行同样的粒子分析。这正是LHC探测器被设计出来所要承担的工作，在碰撞数据中，物理学家将继续搜寻暗物质粒子的信号。
　　不过，如果以这种方式来搜寻暗玻色子，我们就相当于做了一个可能不成立的假设：暗玻色子会在即刻间衰变。如果现实并非如此呢？暗宇宙，暗物质，之所以是“暗”的，肯定是有着某种隐匿于常规宇宙的方式。这会导致暗玻色子在分解为普通物质之前，具有很短暂但可测量的存在时间。这种分解的残留可能不会在实验中两个质子碰撞的位置出现，而是移动到了一定的距离之外。
　　大型强子对撞机的设计目的是寻找相互作用点的新粒子。长寿命粒子（无论是否为暗物质粒子）的轨迹追踪十分复杂，受到多个因素的影响。它们可能由更少的测量数据组成，测量点的连接更难；它们可能会遵循非典型的几何路径，进一步妨碍我们的模式识别算法；它们所产生的信号可能还会比常规算法预计的推迟很多。
　　不过，这正是物理学家所追求的那种挑战。通过旧技巧的重新使用并发明全新的方法，物理学家改进了算法，使其对这些非典型粒子模式更加灵敏。俄亥俄州立大学的物理学教授安东尼奥·博维亚（Antonio Boveia）和克里斯托弗·S·希尔（Christopher S。 Hill）认为，我们现在可以探测到衰变至距离起源点数米以外的暗玻色子，这已经涵盖了大多数可能的情况。甚至暗玻色子衰变为何种物质都没关系，只要普通物质的粒子（我们的探测器能够记录到）最终是以残留物的形式存在。
　　到目前为止，物理学家在LHC的第一次低能量运行数据中还没有任何发现，但他们依然在努力分析第二次较高能量的运行数据。加上此前用于寻找超对称粒子的技术，我们现在有很好的发现暗物质或/和暗相互作用的机会。考虑到LHC目前只释放了最终总数据量的1%，利用LHC来搜寻暗物质粒子的探索才刚刚开始。（任天）

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