Materia întunecată care domină Universul ar putea fi alcătuită din așa-numite particule super-simetrice: frați și surori ai particulelor normale – cele din Modelul Standard – însă cu spin opus și cu masă mult mai mare.

Experimentul ATLAS de la acceleratorul LHC la CERN a căutat aceste particule – în mod specific partenerul supersimetric al quarkului b (botom), reușind să pună noi limite asupra eventualelor sale caracteristici.

Materia întunecată și particulele supersimetrice

În Univers se pare că există o cantitate de materie – numită întunecată întrucât nu emite lumina – mult mai mare decât cea pe care o vedem, precum stelele. Această materie întunecată exercită forță gravitațională asupra materiei normale și acest lucru se vede de exemplu în viteza stelelor din periferia galaxiilor. Din ce ar putea fi alcătuită această materie invizibilă, întunecată? Din particule care nu fac parte din Modelul Standard al fizicii particulelor elementare – particule „în plus” pe care însă nimeni nu le-a descoperit la ora actuală.

La loc de cinste se număra așa-numitele particule supersimetrice – adică surori și frați ai particulelor Modelului Standard care au spin opus – cele care în Modelul Standard sunt fermioni (spin ½) în partea nevăzută a modelului supersimetric sunt bosoni (spin zero/întreg) și invers. Particulele supersimetrice ar avea masă mult mai mare decât cele normale – altfel le-am fi măsurat până în prezent. Cât de mare? Nu este clar – întrucât există mai multe modele teoretice care dau valori destul de diferite. Aceste particule sunt căutate în experimente la acceleratoare precum LHC la Geneva (CERN).

ATLAS la CERN

ATLAS este unul dintre cele 4 mari experimente de la acceleratorul LHC de la CERN (Geneva). Împreună cu CMS, LHCb și ALICE sunt instalate în diverse puncte la LHC unde se efectuează ciocniri de protoni la mare energie (pentru ALICE se studiază inclusiv ciocniri cu nuclee de plumb). Acceleratorul este circular cu o circumferință de 27 km și efectuează ciocniri de particule cu energii extreme – cele mai mari realizate la acceleratoare.

În urmă acestor ciocniri – prin transformarea energiei în masă – se generează mii și mii de noi particule; mare parte din acestea sunt particule (precum protoni, neutroni, pioni, muoni…) pe care deja le cunoaștem; altele însă – se speră – sunt particule cu totul noi. Așa a fost cazul bosonului Higgs – descoperit la LHC de experimentele ATLAS și CMS. Bosonul Higgs a fost căutat mulți ani (circa 50 de când a fost prevăzută existența acestuia) și descoperit în 2012.  La oră actuală ATLAS analizează datele pe care le-a adunat de-a lungul anilor în căutarea de particule supersimetrice.

ATLAS pe urma partenerului supersimetric al quarkului b (bottom)

Membrii colaborării ATLAS au analizat datele pe care le-au obținut în cadrul experimentului în cele două perioade de funcționare: Run1 din 2010 în 2013 și Run 2 din 2015 în 2018 în căutarea proceselor care ar produce partenerul supersimetric al quarkului b. Quarkul b este al doilea cel mai greu din Modelul Standard  Partenerul supersimetric ar avea spin zero – fiind o așa-numită particulă scalara.

Dacă există s-ar dezintegra de exemplu într-un quark b, un boson Higgs și o particula de materia întunecată. Cercetătorii au pus la punct pentru această analiză de date extrem de dificilă metode de machine learning și algoritme de reconstrucție ale evenimentelor deosebite. În felul acesta au obținut noi limite (exclusion plot)  atât asupra partenerului supersimetric al quarkului b cât și a altor tipuri de particule de materie întunecată, rezultatele fiind publicate în arXiv și, desigur, cât de curând într-o revistă peer reviewed.

Materia întunecată rămâne un mister

Materia întunecată rămâne încă un mare mister – împreună cu energia întunecată. Universul întunecat – care ar trebui să compună 95% din materia și energia Universului – sunt obiect de studiu a multor experimente, precum ATLAS. Există și alte experimente la diverse acceleratoare în întreaga lume care caută direct sau indirect particule întunecate, precum și experimente în laboratoare subterane care încearcă să măsoare interacțiunea particulelor de materie întunecată din Univers cu detectoare deosebit de sensibile. Vom vedea în următorii 10 ani dacă noi particule vor fi descoperite sau, dimpotrivă, vânătoare va rămâne fără rezultate.

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare și al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisică Nucleare (Roma, Italia) și colaborator al Scientia.ro