Wissenschaftler haben möglicherweise eine neue Möglichkeit, in die "dunkle Welt" der Physik zu blicken.
In einer neuen Arbeit sagen theoretische Physiker, sie hätten einen neuen Plan für die Suche nach theoretischen Teilchen, die bisher noch nie beobachtet wurden. Diese Teilchen, langlebige Teilchen oder LLPs genannt, könnten ein Fenster in dunkle Materie und dunkle Energie sein, die zusammen 95% des Universums ausmachen. Dunkle Materie übt eine Anziehungskraft auf gewöhnliche Materie aus, und es wird angenommen, dass dunkle Energie die Expansion des Universums beschleunigt. Beides kann jedoch nicht direkt beobachtet werden, da die Wechselwirkungen mit der leuchtenden Materie des Universums schwach sind, sagte Zhen Liu, Postdoktorand an der University of Maryland.
"Sie sprechen nicht mit uns", sagte Liu, einer der Forscher, der an dem neuen Plan arbeitet, gegenüber Live Science.
Aber LLPs könnten dieser dunklen Welt eine Möglichkeit bieten, mit der helleren zu kommunizieren. Und Liu und seine Kollegen glauben, dass Physiker sie möglicherweise finden könnten, wenn sie einige der Detektoren im größten Atomzerstörer der Welt, dem Large Hadron Collider (LHC) in der Nähe von Genf, Schweiz, optimieren.
Parallele Welten
Die "dunkle Welt", auch als "versteckter Sektor" bekannt, beschreibt eine Reihe hypothetischer Teilchen, die über das Standardmodell der Physik hinausgehen würden. (Das Standardmodell erklärt Protonen, Neutronen, Elektronen und all die seltsamen subatomaren Teilchen, die mit ihnen einhergehen, wie Quarks, Myonen, Neutrinos und das Higgs-Boson.)
Wenn sich die ganze "normale" Materie in einem Tal befindet, befindet sich die dunkle Welt in einem parallelen Tal, über dem sich ein Kamm befindet, sagte Liu. Das Besteigen dieses Kamms erfordert eine enorme Menge an Energie, sodass die Partikel im Tal der dunklen Welt stark miteinander interagieren, jedoch nur geringfügig mit denen auf der anderen Seite des Berges. Einige Teilchen könnten jedoch in der Lage sein, diese Energiebarriere von der dunklen Welt in die zu passieren, der wir normalerweise durch einen Prozess begegnen, der als Quantentunnelung bezeichnet wird. Diese Teilchen wären wahrscheinlich nicht die Äquivalente der dunklen Materie stabiler Teilchen wie Protonen oder Neutronen, sagte Liu, sondern wären vielleicht eher instabilen Standardmodellteilchen ähnlich.
Es sind diese Tunnelpartikel, die die Forscher finden möchten. Aber diese Teilchen, falls vorhanden, sind selten, sagte Liantao Wang, ein theoretischer Physiker an der Universität von Chicago. Der LHC schleudert Protonen in schwindelerregendem Tempo aufeinander und erzeugt 1 Milliarde Kollisionen pro Sekunde. Diese Kollisionen zersplittern die Protonen in eine große Anzahl bekannter Partikel des Standardmodells. Für Wissenschaftler, die nach dem verborgenen Sektor suchen, sind all diese Partikel nur Rauschen. Die Partikel, an denen sie interessiert sind, könnten nur ein paar Mal im Jahrzehnt auftreten, sagte Wang.
Ein neuer Weg
Wang und Liu sowie ihr Kollege Jia Liu sind die Autoren des neuen Papiers, das am 3. April in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde und einen Weg vorschlägt, einen Blick auf diese seltenen Partikel zu werfen.
Auf das Timing kommt es an. Laut Wang sollten LLPs im Vergleich zu den Standard-Modell-Partikeln, die der LHC in großen Mengen erzeugt, massiv und schwerfällig sein. Ihre Langsamkeit ist auf die große Energiehürde zurückzuführen, die sie überwinden müssen, um einen Eindruck auf die Welt der normalen Materie zu hinterlassen, sagte Liu. Das Tempo ihrer Schnecke ist aber auch ein nützliches Merkmal für Physiker. Die meisten Elementarteilchen im LHC bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit und zerfallen schnell. Das Higgs-Boson zum Beispiel ist in nur 10 bis minus 22 Sekunden verschwunden und verwandelt sich in einen Satz stabilerer Partikel.
LLPs sollten jedoch langsam leben - bis zu einer Zehntelsekunde, sagte Wang. Sie bewegen sich auch langsamer als die Lichtgeschwindigkeit. Daher sollte die Anpassung der LHC-Detektoren an Partikel, die zu spät zu ihren Sensoren gelangen, der Schlüssel zur Erkennung sein.
"Es ist eine sehr einfache Idee", sagte Wang, "aber sie stellt sich als überraschend effektiv heraus."
Einige dieser Anpassungen werden natürlich mit den Upgrades des LHC einhergehen, die derzeit laufen, sagte Liu. Der Partikelkollider wird 2021 wieder geöffnet, mit Detektoren, die den Zeitpunkt der Ankunft eines Partikels zehnmal genauer messen können als derzeit, sagte er. Von dort aus, sagte er, sind es nur ein paar Software-Verbesserungen, um die Fähigkeiten des LHC zu nutzen und sicherzustellen, dass die experimentellen Physiker, die den Collider verwenden, die Suche priorisieren. Jetzt, sagten Wang und Liu, haben sie und ihre experimentellen Kollegen eine Reihe von Treffen, um sicherzustellen, dass alle auf derselben Seite sind.
"Es wird passieren", sagte Liu.
