在大型强子对撞机上探测暗物质

物理学家可以更好地理解粒子，并寻找像弗兰克·克洛斯所说的暗物质这样的新物种，一种方法是在实验室里制造它们。其中一种方法就是以极高的速度将现有的粒子(比如质子)粉碎在一起。这可以将它们分开，以揭示它们的组成部分，以及这些组成部分的行为。从事这项工作的科学家们有一句名言:“你可以打破它，制造它，或者动摇它!”这就是埋在日内瓦地下的欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)所做的工作。凭借这台长达27公里的机器所能利用的能量，它甚至可以重现宇宙早期的状态，让我们深入了解当时关键粒子的行为。克里斯·史密斯采访了剑桥大学的莎拉·威廉姆斯，她在大型强子对撞机上从事一项关于寻找暗物质的实验……

克里斯-弗兰克·克洛斯刚刚说，莎拉，我们现在在平原上，我们需要出发去寻找下一个山脉，那就是暗物质。你是远征军的一员。你往哪个方向走?

萨拉:这实际上是与这项任务相关的最大挑战之一，因为尽管我们知道暗物质的一些特征，但根据它在宇宙中的行为，实际上有很多可能的候选者。这意味着为了最大限度地提高发现的机会，我们必须系统地调查所有这些可能性。所以我一直在利用大型强子对撞机ATLAS实验中的碰撞来寻找新的粒子，这些粒子是我们现在的配方书的延伸，标准模型，叫做超对称。这预示着，对于我们目前所知道的每一个粒子，都有一个更重的超级伙伴，引入这些新粒子实际上可以解决我们宇宙中几个悬而未决的谜团，包括为我们提供暗物质的候选者。

克里斯:我们可以推断暗物质在那里，莎拉，当我们观察遥远的星系时，我们可以看到恒星的运动方式只有在那里有比我们看到的更重的东西时才能解释。这就是我们部分地得出它一定在那里的原因。考虑到这一点，你如何在粒子加速器中重现星系尺度上发生的事情呢?

莎拉:你说得对，你在宇宙中看到的是与大量暗物质相关的引力效应。然而，我们也预计暗物质粒子应该与标准模型中的粒子有一些弱相互作用，就像我们在大型强子对撞机中碰撞的质子一样。这些大型强子对撞的好处是它们发生得如此频繁——我们谈论的是每秒4000万次的质子对撞——这意味着即使我们在标准模型粒子和暗物质之间只有非常罕见或微弱的相互作用，在我们非常庞大的数据集中，我们可能能够看到有趣的线索，表明我们在这些碰撞中产生了暗物质粒子。当然，其中一个问题是，当产生这些非常罕见的过程时，它也可能被我们已经知道的其他过程所模仿。所以我们必须非常小心地设计我们的搜索，也要很好地理解已知的标准模型过程。

Chris -所以这并不是说你能看到你制造的暗物质。你在推断，你是通过对其他粒子的多米诺骨牌效应，它与碰撞的其他产物相互作用的方式来制造它的。你可以说，如果暗物质是在那里形成的，我们就会看到它符合我们目前的理论。

Sarah:就像你说的，不幸的是，我们实验中最大的挑战之一是，我们试图制造的很多重粒子，无论是用暗物质发现的还是用希格斯粒子测量的，我们都不能直接看到它们。所以，大多数重粒子几乎会在瞬间衰变，然后我们测量的就是它们衰变成的粒子。暗物质面临的挑战之一是，正如我们所说，因为它的相互作用非常弱，即使我们制造出它，它也不会在我们的探测器上留下任何可见的信号。所以我们要做的就是观察碰撞中产生的所有其他粒子，并试图推断出暗物质粒子存在的可能性。这是一项非常具有挑战性的工作，但有了这些非常大的数据集，我们希望能够做到。

克丽丝:你到哪儿去了吗?你是否看到了一些诱人的东西，让你觉得你正走在穿越弗兰克·克洛斯的飞机到达下一个山脉的正确道路上?还是说现在这里还是一片荒野?

Sarah -不幸的是，当你踏上一段不知道该走哪条路的旅程时，其中一个问题是，你必须准备好收集关于哪条路会导致结果，哪条不会的信息。所以，不幸的是，我从事ATLAS实验已经有10年了，我们对暗物质的候选物进行了多次搜索，但我们还没有看到任何信号。然而，这些信息使我们能够改进我们未来的搜索，并让我们更好地了解在哪里寻找。事实上，目前令人兴奋的一件事是，当我们明年再次开始收集数据时，我们还有几年的数据，我们可以利用到目前为止学到的经验来真正设计我们的搜索目标，瞄准一些可能存在暗物质空间的区域，这可能会导致我们的发现。

Chris -这是一个可怕的问题-说你必须在30秒内回答这个问题，Sarah -但是关于暗物质是什么有不同的理论。当你设计实验时，你是考虑了所有这些理论，还是只偏爱其中一个?

莎拉:不幸的是，我们绝对没有办法设计一个包罗万象的暗物质实验。所以我们依靠社区内正在进行的补充活动，其中一些可能对特定的暗物质候选者更敏感，而另一些可能是针对其他的。在大型强子对撞机中，我们非常擅长瞄准某些类型的弱相互作用暗物质粒子。然而，还有其他著名的候选物质需要专门的实验，在高能物理学中，也有其他人在研究这些，我想你可以花一个小时左右的时间来讨论不同的暗物质实验，如果你愿意的话。