Search for dark matter produced in association with a low-multiplicity jet in proton-proton collisions at = 13 TeV
باستخدام 138 فمتوبار عكسي من بيانات تصادمات بروتون-بروتون عند طاقة 13 تريليون إلكترون فولت من تجربة CMS، تقدم هذه الدراسة أول بحث في مصادم الهادرونات الكبير عن المادة المظلمة المنتجة مع نفاثة منخفضة التعددية، وذلك باستخدام تعلم الآلة لوضع حدود عليا عند مستوى ثقة 95% لقطاعات الإنتاج ضمن نماذج الوسيط المتجه والمحوري المبسطة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
الكون مليء بأشياء يمكننا رؤيتها: النجوم، والسحب الغازية، والفراغات المظلمة الشاسعة بينها. ومع ذلك، يعلم علماء الفلك أن المادة المرئية لا تشكل سوى جزء ضئيل مما هو موجود بالفعل. أما البقية فهي مادة غير مرئية تسمى المادة المظلمة، وهي تمارس قوة الجاذبية لكنها لا تبعث أو تعكس الضوء. نحن نعلم بوجودها لأن سحبها الجاذبي يربط المجرات ببعضها البعض، لكننا لم نتمكن قط من رصد جسيم للمادة المظلمة بشكل مباشر. إنها تظل واحدة من أكبر الألغاز في الفيزياء، حضور شبحي يشكل الكون بينما يتوارى عن أقوى تلسكوباتنا. وللعثود عليها، يجب على العلماء البحث عن الآثار الخفية التي قد تتركها عندما تتفاعل مع المادة العادية، أو ربما عندما تُخلق في الاصطدامات العنيفة للجسيمات عالية الطاقة.
في مصادم الهادرون الكبير، وهو حلقة ضخمة من المغناطيسات مدفونة تحت الحدود بين فرنسا وسويسرا، يقوم الفيزيائيون بصدم البروتونات مع بعضها البعض بسرعة تقترب من سرعة الضوء. تعيد هذه الاصطدامات تهيئة الظروف القصوى التي سادت الكون المبكر، مما قد يؤدي إلى توليد جسيمات جديدة ثقيلة تتلاشى في لمح البصر. وفي دراسة حديثة، بحث تعاون "سي إم إس" (CMS)، وهو فريق يضم آلاف العلماء يعملون مع أحد الكواشف العملاقة في المصادم، عن توقيع محدد وغير عادي للمادة المظلمة. فبدلاً من البحث عن الرذاذ المعتاد من الحطام، بحثوا عن سيناريو تُنتج فيه المادة المظلمة إلى جانب نفث طاقة واحد وضيق. هذا النفث ليس رذاذًا فوضويًا من الجسيمات كما هو معتاد في التصادمات عالية الطاقة، بل هو حزمة ضيقة ومركزة تحتوي على عدد قليل جدًا من المكونات، تشبه قلم الرصاص في ضيقها.
قام الباحثون بتحليل بيانات تقابل سطوعًا متكاملًا قدره 138 فيمتو بارن (fb⁻¹)، تم تسجيله بين عامي 2016 و2018. كانوا يبحثون عن أحداث يرتد فيها هذا النفث الضيق مقابل كمية كبيرة من الطاقة المفقودة، مما يشير إلى أن جسيمات المادة المظلمة غير المرئية قد أفلتت من الكاشف. ولأن الإشارة باهتة للغاية ومن السهل إخفاؤها خلف ضجيج الخلفية الناتج عن تفاعلات الجسيمات العادية، استخدم الفريق أدوات تعلم آلي متقدمة. لقد تم تدريب هذه البرامج الحاسوبية للتمييز بين الاختلافات الدقيقة بين توقيع المادة المظلمة النادر وأحداث الخلفية الشائعة، لتعمل كمرشح عالي الحساسية لغربلة المليارات من الاصطدامات.
ولم تسفر عملية البحث عن أي دليل على وجود المادة المظلمة. فقد طابقت عدد الأحداث المرصودة توقعات الفيزياء القياسية تمامًا، دون وجود أي زيادات غير متوقعة تشير إلى وجود جسيمات جديدة. ورغم أن هذا قد يبدو نتيجة سلبية، إلا أنها نتيجة قوية لأنها تسمح للعلماء باستبعاد نظريات محددة حول كيفية سلوك المادة المظلمة. فمن خلال عدم العثور على الإشارة، تمكن الفريق من استبعاد مجموعة واسعة من الاحتمالات. فقد حددوا أنه إذا كانت جسيمات المادة المظلمة تمتلك كتلة تقارب 150 مليار إلكترون فولت، فإن الجسيمات التي قد تحمل القوة بينها (والتي تسمى الوسائط) لا يمكن أن تكون أخف من حوالي 4.25 تريليون إلكترون فولت. وبالنسبة لجسيمات المادة المظلمة الأكثر ثقلًا، والتي تبلغ حوالي 550 مليار إلكترون فولت، فقد تم استبعاد الوسائط حتى كتل تصل إلى 3.5 تريليون إلكترون فولت.
يمثل هذا العمل المرة الأولى التي يستهدف فيها مصادم الهادرون الكبير تحديدًا توقيع النفث منخفض التعددية، وهي استراتيجية لم يتم استكشافها من قبل. وحقيقة أن البحث جاء خاليًا من النتائج تخبرنا أنه إذا كانت المادة المظلمة موجودة بهذا الشكل المحدد، فهي أكثر مراوغة مما كان يُعتقد سابقًا، حيث تختبئ خلف جدار طاقة أعلى مما كان العلماء يأملون في اختراقه بالبيانات الحالية. توفر النتائج حدودًا واضحة للبحوث المستقبلية، مما يوجه المنظرين للبحث في اتجاهات مختلفة أو عند مستويات طاقة أعلى. يستمر البحث، ولكن في الوقت الحالي، لا يزال القطاع المظلم خفيًا، ويحتفظ الكون بأعمق أسراره بعيدًا عن أعين الكاشف.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.