W poszukiwaniu ciemnej materii

Ciemna materia stanowi około jednej czwartej naszego wszechświata, ale nie wchodzi w znaczące interakcje ze zwykłą materią. Od lat naukowcy próbują odkryć jej tajemnice.

Istnienie ciemnej materii zostało potwierdzone przez szereg obserwacji astrofizycznych i kosmologicznych, w tym na ostatnich zdjęciach pozyskanych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Jednak do tej pory nie potwierdzono żadnej eksperymentalnej obserwacji ciemnej materii. Jej istnienie jest kwestią, którą astrofizycy na całym świecie badają od dziesięcioleci.

„To jest powód, dla którego prowadzimy badania w naukach podstawowych, zgłębiając najgłębsze tajemnice wszechświata. Wielki Zderzacz Hadronów w CERN jest największym eksperymentem, jaki kiedykolwiek zbudowano, a zderzenia cząstek tworzące warunki podobne do Wielkiego Wybuchu można wykorzystać do poszukiwania śladów ciemnej materii” – mówi profesor Deepak Kar ze Szkoły Fizyki na Uniwersytecie Witwatersrand w Johannesburgu w RPA.

Pracując przy eksperymencie ATLAS w CERN, profesor Deepak Kar i Sukanya Sinha byli pionierami nowego sposobu poszukiwania ciemnej materii. Ich badania zostały opublikowane w czasopiśmie Physics Letters B.

„Poszukiwania ciemnej materii, w zderzaczach hadronów, w ciągu ostatnich kilku dekad koncentrowały się na słabo oddziałujących masywnych cząstkach, zwanych WIMP-ami” – mówi Deepak Kar. „WIMPy to jedna z klas cząstek, które hipotetycznie wyjaśniają intnienie ciemnej materii, ponieważ nie absorbują ani nie emitują światła i nie oddziałują silnie z innymi cząstkami. Ponieważ jednak do tej pory nie znaleziono żadnych dowodów na istnienie WIMPów, zdaliśmy sobie sprawę, że poszukiwanie ciemnej materii wymaga zmiany paradygmatu”.

„Zastanawialiśmy się, czy cząstki ciemnej materii są rzeczywiście produkowane wewnątrz strumienia cząstek modelu standardowego” – powiedział Kar. Doprowadziło to do zbadania nowej sygnatury detektora znanej jako półwidoczny dżet, której naukowcy nigdy wcześniej nie badali.

Wysokoenergetyczne zderzenia protonów często skutkują wytworzeniem skolimowanego strumienia cząstek, zebranych w tak zwane dżety, pochodzące z rozpadu zwykłych kwarków lub gluonów (bezmasowa cząstka elementarna pośrednicząca w oddziaływaniach silnych). Półwidoczne dżety powstawałyby, gdy hipotetyczne ciemne kwarki rozpadałyby się częściowo na kwarki modelu standardowego (znane cząstki), a częściowo na stabilne ciemne hadrony.

Ponieważ są one produkowane w parach, zwykle wraz z dodatkowymi dżetami modelu standardowego, brak równowagi energii lub brakująca energia w detektorze powstaje, gdy wszystkie dżety nie są w pełni zrównoważone. Kierunek brakującej energii jest często zgodny z jednym z półwidocznych dżetów.

Sprawia to, że poszukiwanie półwidocznych dżetów jest bardzo trudne, ponieważ sygnatura tego zdarzenia może również wynikać z błędnie zmierzonych dżetów w detektorze. Nowy sposób poszukiwania ciemnej materii przez Deepaka Kar i Sukanye Sinha otwiera nowe kierunki w poszukiwaniu istnienia ciemnej materii.

„Mimo że moja praca doktorska nie zawiera odkrycia ciemnej materii, wyznacza pierwsze i dość rygorystyczne górne granice w jej poszukiwaniu i już inspiruje do dalszych badań” – mówi Sukanye Sinha.

Emil Gołoś