​欧洲大型强子对撞机(LHC)新的目标：寻找暗物质，能发现暗物质吗？

欧洲大型强子对撞机(LHC)新的目标：寻找暗物质，能发现暗物质吗？

随着欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机(LHC)在中断三年后重新启动，巨型粒子加速器有了新的目标：寻找暗物质，这种神秘的物质必须占宇宙中所有物质的80%，但没有人见过。

这是一个令人震惊的事实，宇宙中的绝大多数物质实际上是我们看不见的。天文学家认为暗物质一定存在，因为他们看到了它的引力指纹。暗物质是无形的宇宙支架，将星系和星系团连接在一起。我们只是不知道它是什么。

有趣的是，大型强子对撞机上最小尺度的实验可能是解开最大尺度宇宙之谜的关键。

“自从发现希格斯玻色子以来，暗物质领域已经完全改变了，”欧洲粒子物理研究所理论部门的负责人吉安·吉迪斯在6月底的新闻发布会上说。

十年前，暗物质身份的主要竞争者是一类被称为弱相互作用大质量粒子的粒子，简称WIMPS。这些粒子质量很大——因此暗物质有很强的引力——但除此之外，它们与其他粒子的相互作用或“耦合”很弱。

现在，物理学家正在考虑对暗物质的各种解释，包括奇异的辐射，例如被称为“暗辐射”的准辐射形式，其波长可以延伸到几光年，到迷你黑洞、修正重力、超对称粒子和其他种类异国情调的东西。

尽管有这些新理论，但仍将某种类型的粒子视为暗物质身份的主要竞争者似乎是合理的。

苏格兰爱丁堡大学粒子物理学教授维多利亚·马丁说：“我们认为肯定还有我们尚未发现的其他粒子，它们不是标准模型的一部分，但可能构成暗物质。”

十年前由大型强子对撞机发现的希格斯玻色子可能是关键。希格斯玻色子是希格斯场的中介，希格斯场是一个跨越宇宙的能量场，大质量粒子通过与希格斯玻色子相互作用从中汲取质量。

众所周知，暗物质非常害羞和退休，只能通过引力与宇宙的其他部分相互作用。否则我们看不到它，这使得检测它成为一个问题。然而，如果它是 WIMP，那么它的质量肯定与其他大质量粒子的来源相同，特别是希格斯场。

“我们知道希格斯玻色子与所有重物相互作用，所以如果暗物质是重粒子，那么希格斯玻色子应该与它相互作用，”马丁说。

这将希格斯玻色子推向了暗物质研究的前沿，这是对黑暗领域的探索，这在 12 年前大型强子对撞机首次启动时是不可能的。这个想法是，如果暗物质与希格斯场相互作用，那么我们可能会通过大型强子对撞机的一项实验看到希格斯玻色子衰变为暗物质。

然而，虽然 WIMP 曾经是每个人最喜欢的暗物质解释，但更轻粒子的可能性，例如称为轴子的假设粒子，现在又回到了绘图板上。

大型强子对撞机 FASER（前向搜索实验）仪器的发言人杰米·博伊德：“暗物质可能具有的质量范围很广。”

假设暗物质粒子是较轻的粒子，例如轴子。它需要大量的这些粒子才能让宇宙充满引力表明存在的所有暗物质，因此轻暗物质粒子的特性必须非常精确，它们的质量和耦合具有特定的值。

正如希格斯玻色子介导粒子与希格斯场之间的相互作用，光子允许电磁场与粒子耦合一样，暗物质介体将允许暗物质与标准模型中的其他粒子“对话”。已经对不同类型的介体进行了理论化，部分区别在于它们的量子自旋，但 FASER 专门用于检测的介体是假设的和听起来神秘的“暗光子”。

“暗光子可能在大型强子对撞机的碰撞中产生，”博伊德说。顾名思义，暗光子很难直接检测到。相反，这个想法是，在 LHC 中的重离子碰撞产生暗光子后，暗光子随后会进入 FASER 仪器，在那里它有可能与致密的钨靶相互作用并衰变为FASER更容易检测到的一堆普通标准模型粒子。从本质上讲，一堆标准模型粒子似乎是凭空出现的——它们可能是暗光子偷偷溜过而未被发现的确凿证据。

这是一个很长的机会，但即使是无效的结果也会为科学家提供有价值的信息。暗光子质能的理论预测相当广泛。大型强子对撞机至少能够排除大部分可能性，进一步限制暗光子和暗物质粒子可能隐藏的位置。

大型强子对撞机正在与显示暗物质宇宙效应的天文观测相一致，这些观测可以为理论模型提供信息，其中一些可以通过大型强子对撞机进行测试——这个难题有很多移动的部分。

虽然没有人进入这个新的大型强子对撞机观测运行，期望最终找到暗物质，但新的测量预计将有助于缩小对暗物质可能隐藏位置的搜索范围。而且，如果大型强子对撞机确实发现了暗物质，那将是本世纪的科学发现。当未来的科学历史学家回顾大型强子对撞机时，他们将不再将其与希格斯玻色子联系起来，而是将其视为最终为黑暗宇宙带来光明的仪器。