Disappearing Tracks from Electroweak Vector Dark Matter at the LHC

Het universum is gevuld met materie die we niet kunnen zien. Astronomen hebben de zwaartekrachtinvloed ervan op sterrenstelsels en het kosmische web gemeten, wat bevestigt dat deze onzichtbare substantie, bekend als donkere materie, het grootste deel van de massa in het kosmos vormt. Toch, ondanks decennia van zoeken, heeft niemand ooit een enkel deeltje donkere materie direct gedetecteerd. De leidende theorie suggereert dat deze deeltjes "zwak interagerende massieve deeltjes", of WIMP's zijn. Dit zijn zware, onzichtbare entiteiten die zelden botsen met gewone materie, waardoor ze ongelooflijk moeilijk te vangen zijn. Om ze te vinden, bouwen natuurkundigen enorme detectoren diep onder de grond of gebruiken ze krachtige deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider (LHC) in Zwitserland. Het idee is om protonen tegen elkaar aan te laten botsen bij bijna de snelheid van het licht, in de hoop een deeltje donkere materie te creëren dat ontsnapt aan de botsing, waarbij een signatuur van ontbrekende energie of een vreemd, achterblijvend spoor in de detector achterlaat.

Een team van onderzoekers heeft onlangs hun aandacht gericht op een specifieke, ongrijpbare kandidaat voor deze donkere materie: een zwaar, onzichtbaar deeltje dat vergezeld wordt door een geladen partner. In dit scenario maakt het donkere materie-deeltje deel uit van een grotere familie van deeltjes die interageren via de zwakke kernkracht. Hoewel het belangrijkste lid van de donkere materie neutraal en onzichtbaar is, bevat de familie ook een geladen versie. Omdat er een minuscuul verschil is in massa tussen de twee, is de geladen partner onstabiel en vervalt deze uiteindelijk in het onzichtbare donkere materie-deeltje. Deze verval vindt echter niet onmiddellijk plaats. Het geladen deeltje legt een meetbare afstand af binnen de detector voordat het verdwijnt. Dit creëert een uniek signaal: een korte, rechte lijn in het trackingsysteem die simpelweg stopt, alsof het deeltje in het niets is verdwenen. Dit "verdwijnende spoor" (disappearing track) is de specifieke signatuur die de onderzoekers probeerden te vinden.

De wetenschappers concentreerden zich op een theoretisch model waarbij de kandidaat voor donkere materie een spin-1 deeltje is, wat betekent dat het een specifiek intrinsiek impulsmoment heeft, en bestaat uit een vijfledige familie. In dit model is het geladen lid van de familie iets zwaarder dan het neutrale donkere materie-deeltje. Dit kleine massaverloop is cruciaal. Het dwingt het geladen deeltje om te vervallen in het neutrale deeltje en een zeer lichte, zachte pion (een type subatomair deeltje). Omdat de vrijgekomen energie zo klein is, beweegt de pion te traag om gedetecteerd te worden door de buitenste lagen van de machine. Het geladen deeltje legt echter ver genoeg af om een duidelijk spoor achter te laten in de binnenste lagen van de detector voordat het vervalt. Het resultaat is een spoor dat in het centrum van de detector begint en abrupt eindigt, zonder een overeenkomstige hit in de buitenste lagen.

Om dit idee te testen, analyseerden de onderzoekers gegevens van het ATLAS-experiment bij de LHC, waarbij zij de volledige dataset gebruikten die werd verzameld tijdens de tweede run van de machine, wat overeenkomt met 137 inverse femtobarns aan botsingen. Ze zochten niet naar nieuwe gegevens, maar heronderzochten bestaande zoekresultaten. De ATLAS-collaboratie had eerder gezocht naar verdwijnende sporen om langlevende deeltjes te vinden die worden voorspeld door supersymmetrie, een andere theorie van de fysica. Het nieuwe team paste deze zoektocht aan om specifief te zoeken naar de spin-1 donkere materie-kandidaat. Ze bouwden een computersimulatie van hoe deze deeltjes zouden zich gedragen, hoe ze in botsingen zouden worden geproduceerd en hoe ze door de detector zouden bewegen. Ze berekenden de waarschijnlijkheid dat een deeltje met een specifieke levensduur een spoor zou achterlaten dat de detector kan zien, rekening houdend met het feit dat het deeltje ver genoeg moet reizen om de binnenste tracker te bereiken, maar niet zo ver dat het de volgende laag van de detector bereikt.

De analyse toonde aan dat de huidige gegevens van de LHC al een aanzienlijk bereik aan mogelijkheden voor dit type donkere materie hebben uitgesloten. Als het geladen deeltje een levensduur heeft die het toestaat om ongeveer 250 millimeter af te leggen voordat het vervalt, heeft het experiment de existentie van deze deeltjes met massa's tot 1080 gigaelectronvolt uitgesloten. Dit is een zware massa, ongeveer 1000 keer de massa van een proton. Voor deeltjes met kortere levensduurs is de limiet lager, namelijk 450 gigaelectronvolt, en voor deeltjes met langere levensduurs blijft de limiet hoog rond de 855 gigaelectronvolt. De onderzoekers keken ook naar de relatie tussen de massa van het deeltje en het minuscule massaverloop dat het verval aandrijft. Ze vonden dat voor een specifiek massaverloop van 166 megaelectronvolt, deeltjes met massa's onder de 630 gigaelectronvolt zijn uitgesloten. Als het massaverloop 200 megaelectronvolt is, ligt de limiet op 395 gigaelectronvolt.

Misschien wel het belangrijkste: het team controleerde hun bevindingen tegen de specifieke voorspellingen van hun theoretische model. Het model voorspelt dat het massaverloop tussen het geladen en het neutrale deeltje wordt gegenereerd door kwantumeffecten en afhangt van hoe de deeltjes interageren met het Higgs-veld. Voor een specifieke, kleine interactiekracht voorspelt het model dat deeltjes met massa's tussen 120 en 300 gigaelectronvolt zouden moeten bestaan. Echter, de experimentele gegevens tonen aan dat deeltjes in dit gehele massabereik, met de voorspelde massaverlopen, niet bestaan. Het model is effectief uitgesloten voor deze massa's. De onderzoekers merkten op dat als de interactiekracht groter zou zijn, het voorspelde massaverloop groter zou zijn, waardoor de deeltjes te snel zouden vervallen om gezien te worden door deze specifieke zoektocht, waardoor dat deel van de theorie onbeperkt blijft.

Kijkend naar de toekomst, berekenden de onderzoekers wat er zou gebeuren als de LHC drie keer meer gegevens zou verzamelen, een scenario dat in de toekomst wordt verwacht. Met een dergelijke grotere dataset zou de zoektocht gevoelig worden voor veel zwaardere deeltjes. Als de achtergrondruis van willekeurige detectorfouten tot nul beperkt kan worden gehouden, zou het experiment potentieel deeltjes met massa's tot 1750 gigaelectronvolt kunnen vinden of uitsluiten. Zelfs met een realistischere schatting van de achtergrondruis, zou het bereik zich uitstrekken tot 1530 gigaelectronvolt. Dit zou een enorm massabereik bestrijken dat momenteel onbekend is. De studie demonstreert dat de verdwijnende spoor-signatuur een krachtig instrument is voor het jagen op deze zware, onzichtbare deeltjes. Hoewel dit specifieke model van donkere materie is uitgesloten in het lagere massabereik, blijft de methode een vitale strategie voor het verkennen van de onbekende hoeken van het universum. De zoektocht gaat door, met de LHC die klaar staat om dieper in de subatomaire wereld te kijken dan ooit tevoren.