作者:欧洲核子研究中心安娜·洛佩斯 宇宙中暗物质分布的模拟
信用:V
Springel等人
2005 大型强子对撞机(LHC)以寻找和发现希格斯玻色子而闻名，但在这台机器以比以前粒子加速器更高的能量碰撞质子后的10年里，研究人员一直在使用它来试图寻找一种同样令人兴奋的粒子:这种假设的粒子可能构成一种被称为暗物质的不可见形式，这种物质比普通物质普遍五倍，没有它就没有我们所知的宇宙
迄今为止，LHC暗物质的搜索和非对撞机的搜索一样都是空手而归，但是LHC研究人员在寻找它的过程中所付出的令人难以置信的努力和技巧，使得他们缩小了粒子李娥可能隐藏的许多区域——这是发现过程中的必要里程碑
“在LHC之前，暗物质存在的可能性比现在要大得多，”加州大学欧文分校的暗物质理论家蒂姆·泰特说，他也是LHC暗物质工作组的理论召集人之一
“LHC在寻找以弱相互作用的大质量粒子的形式存在的暗物质方面开辟了新的天地，它覆盖了一系列潜在的信号，这些信号可以通过暗物质的产生，也可以通过粒子与普通物质的相互作用来预测
所有观察到的结果都与不包含暗物质的模型相一致，并且给了我们重要的信息，说明什么样的粒子不能再解释它了
这些结果既为实验学家指明了如何寻找暗物质的新方向，也促使理论家们重新思考现有的关于暗物质可能是什么的想法——在某些情况下，还提出了新的想法
" 制造它，打破它，摇晃它 为了寻找暗物质，实验本质上是“制造它、打破它或摇动它”
“LHC一直试图通过质子束的碰撞来实现它
一些实验在太空和地面使用望远镜寻找暗物质粒子碰撞并在太空中爆发时的间接信号
其他人仍在通过寻找它们给地下探测器中的原子核带来的刺激或“震动”来直接追逐这些难以捉摸的粒子
“制造”方法是对“打破它”和“摇晃它”实验的补充，如果LHC探测到一个潜在的暗物质粒子，它将需要其他实验的确认来证明它确实是一个暗物质粒子
相比之下，如果直接和间接实验检测到来自暗物质粒子相互作用的信号，LHC的实验可以被设计来研究这种相互作用的细节
失动量信号和颠簸振荡 那么LHC是如何在质子碰撞中寻找暗物质产生的迹象的呢？在这样的碰撞中，暗物质粒子存在的主要标志是所谓的横向动量缺失
为了寻找这一特征，研究人员将LHC探测器可以看到的粒子动量相加——更准确地说，是与碰撞的光子束成直角的动量——并确定碰撞前达到总动量所需的任何缺失动量
总动量应该为零，因为质子在碰撞前沿着光束的方向运动
但是如果碰撞后的总动量不为零，那么使其为零所需的丢失动量可能被一个未被探测到的暗物质粒子带走了
一个失去横向动量的ATLAS探测器事件
横向动量为265 GeV(黄色条)的光子被268 GeV的缺失横向动量(探测器对面的红色虚线)平衡
信用:ATLAS/CERN 失去动力是在LHC进行两种主要搜索的基础
一种是由所谓的全新物理模型引导的，比如超对称性(SUSY)模型
在SUSY模型中，由粒子物理标准模型描述的已知粒子有一个超对称的伴粒子，其量子性质称为自旋，与对应粒子相差半个单位
此外，在许多SUSY模型中，最轻的超对称粒子是弱相互作用的大质量粒子(WIMP)
弱光子是暗物质粒子最有吸引力的候选粒子之一，因为它们可以产生宇宙中目前丰富的暗物质
针对SUSY弱粒子的搜索从一对暗物质粒子加上粒子和/或称为轻子的粒子的喷雾或“喷射”中寻找丢失的动量
另一种涉及丢失动量特征的搜索是由简化模型引导的，该模型包括一个类似弱粒子的暗物质粒子和一个将与已知普通粒子相互作用的介质粒子
介体可以是已知的粒子，如Z玻色子或希格斯玻色子，也可以是未知的粒子
近年来，这些模型获得了巨大的吸引力，因为它们非常简单，但本质上却很普遍(完整的模型是特定的，因此范围更窄)，而且它们可以用作比较LHC和非对撞机暗物质实验结果的基准
除了失去一对暗物质粒子的动量之外，这第二种类型的搜索至少寻找一个高能物体，例如粒子射流或光子
在简化模型的背景下，有一种替代失去动量搜索的方法，这种方法不是寻找暗物质粒子，而是通过介体粒子转化或“衰变”成普通粒子来寻找介体粒子
这种方法在碰撞数据的平滑背景上寻找碰撞，例如具有两个喷流或两个轻子的事件的质量分布中的碰撞
缩小软骨头的范围 LHC实验从这些弱粒子搜索中获得了什么结果？简而言之，他们还没有发现弱粒子暗物质的迹象
更长的答案是，他们已经排除了大部分理论上的弱能粒子领域，并对暗物质粒子和介体粒子的性质的允许值进行了严格的限制，比如它们的质量和与其他粒子的相互作用强度
在总结LHC实验的结果时，阿特拉斯实验合作成员卡特丽娜·多格里奥尼说:“我们已经完成了大量对不可见粒子和可见粒子的专门搜索，这些粒子将在涉及暗物质的过程中出现，我们已经根据许多不同的弱能粒子暗物质场景解释了这些搜索的结果，从简化模型到SUSY模型
这项工作得益于实验学家和理论家之间的合作，例如在讨论平台上，如LHC暗物质工作组(LHC数据挖掘工作组)，其中包括理论家和代表从阿特拉斯，合作研究中心和大型强子对撞机的合作
将LHC的结果放在包括直接和间接探测实验在内的全球弱能粒子搜索的背景下，也是暗物质界讨论的一个焦点，关于如何最好地利用具有相同科学目标的不同实验之间的协同作用来发现暗物质的讨论至今仍在继续
" LHC暗物质工作组的共同召集人普里西拉·帕尼给出了一个利用阿特拉斯实验数据获得的结果的具体例子，强调了该合作最近是如何搜索从2015年至2018年收集的机器第二次运行(运行2)的完整LHC数据集，以寻找希格斯玻色子可能衰变为暗物质粒子的情况
“我们没有发现这种衰退的例子，但我们能够对它发生的可能性设定迄今为止最强的限制，”帕尼说
LHC暗物质工作组的共同召集人、CMS实验的菲尔·哈里斯强调了对衰变为两股喷流的暗物质介体的搜索，比如最近基于Run 2数据的CMS搜索
哈里斯说:“这些所谓的迪杰特搜索非常强大，因为它们可以探测大范围的介体质量和相互作用强度。”
LHC暗物质工作组的LHCb实验共同召集人Xabier Cid Vidal反过来指出，来自运行1和运行2的关于一种被称为Bs介子的粒子衰变的数据使得LHCb合作对包括弱粒子在内的SUSY模型进行了强有力的限制
“Bs介子衰变为两个μ子对SUSY粒子非常敏感，比如SUSY WIMPs，因为如果SUSY粒子干扰衰变，衰变发生的频率可能与标准模型预测的非常不同，即使它们的质量太高，无法在LHC直接检测到，”Cid Vidal说
暗物质本质的可能解释
信用:G
贝尔托内和T
M
P
大吉 撒网 “十年前，(在LHC和更远的地方)的实验在寻找质量大于质子质量(1千电子伏)小于几千电子伏的暗物质粒子
也就是说，他们的目标是经典的弱能粒子，比如苏西预测的那些
泰特说:“快进10年，暗物质实验现在正在寻找质量低至1兆电子伏左右、高至100兆电子伏的类弱粒子。”
“搜索的无效结果，例如在LHC，激发了对暗物质本质的许多其他可能的解释，从质量低至10-22ev的粒子组成的模糊暗物质，到质量相当于几个太阳的原始黑洞
有鉴于此，暗物质界已经开始撒下更大的网来探索更大的可能性
" 在对撞机方面，LHC的研究人员已经开始研究这些新的可能性
例如，他们已经开始研究这样一个假设，即暗物质是一个更大的暗区的一部分，暗区中有几种新类型的暗粒子
这些暗区粒子可能包括一个相当于光子的暗物质，暗光子，它将与其他暗区粒子以及已知粒子相互作用，还有长寿粒子，它们也是由SUSY模型预测的
“暗区场景提供了一套新的实验信号，这是LHC物理学家的新游乐场，”多格里奥尼说
“我们现在正在扩展我们熟悉的实验方法，这样我们就可以尝试捕捉隐藏在大背景中的罕见和不寻常的信号
此外，许多其他当前和计划中的实验也是针对暗区和比弱能粒子相互作用更弱的粒子
其中的一些实验，比如新批准的FASER实验，正在与主要的LHC实验共享知识、技术甚至加速器复合体，它们将补充LHC对非弱能粒子暗物质的搜索，正如欧洲粒子物理研究所超越对撞机倡议所显示的那样
" 最后，LHC的研究人员仍在研究运行2的数据，到目前为止，从运行1和运行2收集的数据仅占实验记录总数的5%
考虑到这一点，以及从迄今为止进行的许多LHC分析中获得的大量知识，LHC也许有机会在未来10年内发现暗物质粒子
“事实是我们还没有找到它，而且我们可能在不远的将来找到它，这让我对我的工作感到兴奋，”哈里斯说
“过去的10年向我们表明，暗物质可能与我们最初想象的不同，但这并不意味着它不在那里供我们寻找，”希德·维达尔说
帕尼说:“我们会想尽一切办法，不管大小，也不管需要多长时间。”
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