Pendekatan revolusioner terhadap Large Hadron Collider

Para peneliti sedang mempelajari apakah partikel materi gelap benar-benar diproduksi dalam pancaran partikel Model Standar.

Keberadaan materi gelap merupakan misteri lama di alam semesta kita. Materi gelap membentuk sekitar seperempat alam semesta kita, namun tidak berinteraksi secara signifikan dengan materi biasa. Keberadaan materi gelap telah dikonfirmasi oleh serangkaian pengamatan astrofisika dan kosmologis, termasuk gambar menakjubkan terbaru yang diambil oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb. Namun, hingga saat ini, belum ada pengamatan eksperimental terhadap materi gelap yang dilaporkan. Keberadaan materi gelap telah menjadi pertanyaan yang telah diselidiki oleh para ilmuwan energi tinggi dan astrofisikawan di seluruh dunia selama beberapa dekade.

Kemajuan dalam penelitian materi gelap

“Itulah sebabnya kami melakukan penelitian di bidang sains dasar, untuk mengeksplorasi rahasia terdalam alam semesta.Large Hadron Collider di CERN “Ini adalah eksperimen terbesar yang pernah dilakukan, dan tumbukan partikel yang menciptakan kondisi mirip Big Bang dapat dimanfaatkan untuk mencari tanda-tanda materi gelap,” kata Profesor Deepak Kar, dari Fakultas Fisika Universitas Witwatersrand di Johannesburg. Afrika Selatan. .

Representasi grafis tentang bagaimana jet yang hampir terlihat akan muncul di detektor ATLAS jika ada. Kredit: CERN

Saat mengerjakan eksperimen ATLAS di CERN, Carr dan mantan mahasiswa PhD Sukanya Sinha (sekarang peneliti pascadoktoral di Universitas Manchester), menemukan cara baru untuk mencari materi gelap. Penelitian mereka dipublikasikan di jurnal, Huruf Fisika B.

Pendekatan baru untuk mendeteksi materi gelap

“Ada sejumlah besar pencarian materi gelap di LHC selama beberapa dekade terakhir, dan mereka berfokus pada partikel masif yang berinteraksi secara lemah, yang disebut WIMP,” kata Carr. “WIMPS adalah salah satu kelas partikel yang dihipotesiskan menjelaskan materi gelap karena tidak menyerap atau memancarkan cahaya dan tidak berinteraksi kuat dengan partikel lain. Namun, karena sejauh ini belum ditemukan bukti keberadaan WIMP, kami menyadari bahwa pencarian materi gelap memerlukan lompatan kuantum.

Dr Sukanya Sinha dan Profesor Deepak Kar. Kredit: Universitas Kecerdasan

“Apa yang kami pertanyakan adalah apakah partikel materi gelap benar-benar diproduksi dalam aliran partikel Model Standar,” kata Carr. Hal ini mengarah pada penemuan tanda detektor baru yang dikenal sebagai jet yang hampir terlihat, yang belum pernah dilihat oleh para ilmuwan sebelumnya.

Tabrakan proton berenergi tinggi sering kali menghasilkan semburan partikel paralel, yang dikumpulkan dalam apa yang disebut jet, dari peluruhan quark atau gluon biasa. Aliran semi-terlihat mungkin muncul ketika quark gelap virtual meluruh sebagian menjadi quark Model Standar (partikel yang diketahui) dan sebagian lagi menjadi hadron gelap yang stabil (“bagian yang tidak terlihat”). Karena diproduksi berpasangan, biasanya bersamaan dengan jet model standar tambahan, ketidakseimbangan energi atau kehilangan energi pada detektor terjadi ketika semua jet tidak seimbang sempurna. Arah energi yang hilang sering kali berhubungan dengan salah satu pancaran yang paling terlihat.

Hal ini membuat pencarian jet yang hampir terlihat menjadi sangat sulit, karena tanda peristiwa ini juga dapat muncul karena pengukuran jet yang salah pada detektor. Metode baru Carr dan Sinha dalam mencari materi gelap membuka arah baru dalam pencarian keberadaan materi gelap.

“Meskipun tesis doktoral saya tidak memuat penemuan materi gelap, hal ini menetapkan batasan pertama dan cukup ketat pada cara produksi ini, dan sudah menginspirasi penelitian lebih lanjut,” kata Sinha.

Kolaborasi ATLAS di CERN telah menyoroti hal ini sebagai salah satu hasil penting yang akan diumumkan pada konferensi musim panas.

Referensi: “Investigasi produksi jet yang hampir terlihat non-resonansi menggunakan data ATLAS Run 2” oleh The ATLAS Collaboration, 11 November 2023, Huruf Fisika B.
doi: 10.1016/j.physletb.2023.138324

Eksperimen di Large Hadron Collider di Eropa, seperti kalorimeter ATLAS yang ditunjukkan di sini, memberikan pengukuran partikel fundamental yang lebih tepat. Sumber gambar: Harga Maximilian, CERN

Pengalaman Atlas

Eksperimen ATLAS adalah salah satu upaya ilmiah terpenting di CERN, Organisasi Penelitian Nuklir Eropa. Ini adalah bagian penting dari Large Hadron Collider (LHC), akselerator partikel terbesar dan terkuat di dunia. Terletak di dekat Jenewa, ATLAS, yang merupakan singkatan dari “A Toroidal LHC ApparatuS,” berfokus pada eksplorasi aspek fundamental fisika.

ATLAS dirancang untuk mengeksplorasi berbagai pertanyaan ilmiah. Hal ini bertujuan untuk memahami kekuatan fundamental yang telah membentuk dunia kita sejak awal mula waktu dan yang akan menentukan nasibnya. Salah satu tujuan utamanya adalah mempelajari Higgs boson, partikel yang terkait dengan medan Higgs, yang memberikan massa pada partikel lain. Penemuan Higgs boson pada tahun 2012, upaya bersama antara ATLAS dan eksperimen CMS (Compact Muon Solenoid), merupakan pencapaian penting dalam fisika.

Eksperimen ini juga mencari tanda-tanda fisika baru, termasuk asal usul massa, dimensi ekstra, dan partikel yang dapat membentuk materi gelap. ATLAS melakukan ini dengan menganalisis partikel tak terhitung jumlahnya yang dihasilkan ketika proton bertabrakan dengan kecepatan hampir cahaya di dalam LHC.

Detektor ATLAS sendiri merupakan keajaiban teknologi. Ukurannya sangat besar, berukuran panjang sekitar 45 meter, diameter 25 meter, dan berat sekitar 7.000 ton. Detektor terdiri dari lapisan berbeda, masing-masing dirancang untuk mendeteksi berbagai jenis partikel akibat tumbukan proton-proton. Ini mencakup serangkaian teknologi: pelacak untuk mendeteksi lintasan partikel, kalorimeter untuk mengukur energinya, dan spektrometer muon untuk mengidentifikasi dan mengukur muon, sejenis elektron berat yang merupakan dasar bagi banyak penelitian fisika.

Data yang dikumpulkan oleh ATLAS sangat besar, sering kali digambarkan dalam satuan petabyte. Data ini dianalisis oleh komunitas ilmuwan global, berkontribusi terhadap pemahaman kita tentang fisika dasar dan berpotensi mengarah pada penemuan dan teknologi baru.