Displaced tracks as a signal of dark matter co-annihilation: a case study using inert doublet model at $e^+e^-$ collider

Het universum is gevuld met een mysterieuze substantie die donkere materie wordt genoemd. We kunnen het niet zien, niet aanraken en niet ruiken, maar we weten dat het er is omdat de zwaartekracht ervan sterrenstelsels bij elkaar houdt en het pad van licht afbuigt. Het maakt ongeveer een kwart uit van alles wat bestaat, maar ondanks decennia van zoeken heeft nog nooit een enkel experiment een enkel deeltje ervan gevangen. Wetenschappers hebben geprobeerd het te vinden door te luisteren of het tegen atomen botst diep onder de grond, of door te kijken naar de lichtflits die het zou kunnen maken wanneer het tegen andere deeltjes donkere materie in de ruimte botst. Tot nu toe zijn deze inspanningen zonder resultaat gebleven. Deze stilte heeft ervoor gezorgd dat onderzoekers een andere mogelijkheid overwegen: misschien is donkere materie niet één enkel, eenzaam deeltje, maar deel van een verborgen familie. In dit scenario zou donkere materie zwaardere, geladen verwanten kunnen hebben die bijna even zwaar zijn, maar net iets anders. Als deze verwanten bestaan, zouden ze kunnen helpen verklaren hoeveel donkere materie we vandaag de dag zien, maar ze zouden ook een zeer specifieke, vreemde handtekening achterlaten als we ze in een machine zouden kunnen vangen.

Een team van natuurkundigen heeft onlangs onderzocht hoe deze verborgen verwanten te vinden zijn met behulp van een toekomstig type deeltjesversneller. Ze richtten zich op een specifieke theorie genaamd het Inert Doublet Model, dat suggereert dat donkere materie een neutraal deeltje is dat bijna identiek is in gewicht aan een geladen partner. Omdat hun gewichten zo dicht bij elkaar liggen, kan de geladen partner niet gemakkelijk vervallen in het deeltje van donkere materie. In plaats daarvan leeft het verrassend lang voordat het uiteindelijk uiteenvalt. Wanneer het uiteenvalt, geeft het het deeltje van donkere materie vrij en een minuscuul, traag bewegend stukje puin. In een normale deeltjesdetector zou dit eruitzien als een geladen deeltje dat een korte afstand aflegt, plotseling stopt en verdwijnt, waarbij een zwak, zacht spoor achterlaat dat abrupt eindigt. Dit staat bekend als een "verdwijnend spoor" (disappearing track). De onderzoekers simuleerden hoe dit eruit zou zien in een toekomstige elektron-positron-versneller, een machine die elektronen en hun antimaterie-tegenhangers met extreem hoge energieën tegen elkaar aan laat botsen. Ze ontdekten dat als deze verborgen deeltjes bestaan, dit specifieke type machine de perfecte plek zou zijn om ze op te sporen, en een veel duidelijker beeld biedt dan de huidige experimenten kunnen bieden.

Het team begon met het in kaart brengen van de regels van hun model om ervoor te zorgen dat het overeenkomt met wat we al weten over het universum. Ze controleerden of de deeltjes die zij voorstelden de juiste hoeveelheid donkere materie zouden produceren die in het heelal wordt waargenomen, en dat ze niet gedetecteerd zouden zijn door eerdere experimenten. Ze identificeerden vier specifieke scenario's, of "benchmarkpunten", waarbij de deeltjes massa's zouden hebben variërend van ongeveer 560 tot 1.200 keer de massa van een proton. In deze scenario's is het verschil in gewicht tussen de donkere materie en zijn geladen partner zeer klein, vaak minder dan het gewicht van een enkel atoomkern. Dit minieme verschil is cruciaal, omdat het het geladen deeltje dwingt om langer dan gebruikelijk te leven. De onderzoekers berekenden dat het geladen deeltje voor deze specifieke massa's ergens tussen enkele centimeters en bijna een meter in de detector zou reizen voordat het vervalt. Deze afstand is lang genoeg om gemeten te worden, maar kort genoeg om binnen de tracking-apparatuur plaats te vinden.

Om te zien of deze deeltjes gevonden konden worden, simuleerden de onderzoekers miljoenen botsingen in een toekomstige versneller met een energie van 3 tera-elektronvolt. Ze hielden toezicht op de specifieke gebeurtenis waarbij een paar van deze geladen deeltjes wordt gecreëerd en vervolgens door de detector reist. Terwijl het geladen deeltje beweegt, laat het een spoor van signalen achter, vergelijkbaar met een vliegtuig dat een condensspoor achterlaat. Echter, omdat het deeltje uiteindelijk vervalt in onzichtbare donkere materie en een zeer zacht, traag bewegend stukje puin, stopt het spoor plotseling. De onderzoekers stelden een digitale filter op om te zoeken naar deze specifieke "geknikte" of "verdwijnende" sporen. Ze vereisten dat het spoor op een bepaalde afstand van het centrum van de botsing begon en eindigde binnen de binnenste lagen van de detector. Ze controleerden ook of de hoek waaronder het spoor boog of stopte scherp genoeg was om echt te zijn en geen willekeurige glitch in de machine.

De resultaten van hun simulatie waren veelbelovend. Voor het lichtste van hun vier scenario's voorspelden ze dat de machine met één jaar aan gegevensverzameling bijna 1.000 van deze verdwijnende gebeurtenissen zou zien. Zelfs voor het zwaarste scenario, waarbij de deeltjes moeilijker te produceren zijn, verwachtten ze nog steeds tientallen duidelijke signalen te zien. De studie toonde aan dat het vermogen om deze deeltjes te vinden sterk afhangt van het exacte verschil in hun gewicht. Als het verschil te klein is, leven de deeltjes te lang en ontsnappen ze aan de detector voordat ze vervallen. Als het verschil te groot is, vervallen ze te snel en verdwijnen ze voordat ze ver genoeg kunnen reizen om opgemerkt te worden. Het ideale punt ligt in een nauw bereik waar de deeltjes net ver genoeg reizen om door de sensoren te worden opgevangen. De onderzoekers merkten ook op dat de achtergrondruis van de machine zelf in dit type versneller zeer laag zou zijn, waardoor het veel gemakkelijker is om deze zeldzame gebeurtenissen op te sporen in vergelijking met de lawaaierige omgeving van huidige grote versnellers.

De studie concludeert dat het zoeken naar deze verdwijnende sporen een krachtige manier is om het idee van een verborgen donkere sector te testen. Hoewel de onderzoekers geen fysieke detector hebben gebouwd of een echt experiment hebben uitgevoerd, laten hun gedetailleerde simulaties zien dat, als deze deeltjes bestaan, een toekomstige elektron-positron-versneller ze zou kunnen vinden. De methode berust op het unieke gedrag van deeltjes die bijna, maar net niet helemaal, hetzelfde gewicht hebben. Door te zoeken naar een geladen deeltje dat een paar stappen zet en dan verdwijnt, zouden wetenschappers eindelijk een glimp kunnen opvangen van de familie van de donkere materie. Het werk benadrukt dat de volgende generatie deeltjesfysica-experimenten moet worden ontworast om naar deze subtiele, langdurige signalen te kijken, aangezien deze de sleutel tot het oplossen van een van de grootste mysteries in de wetenschap kunnen bevatten.