W podziemnym tunelu na granicy między Francją a Szwajcarią, na głębokości około 350 stóp, znajduje się Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), jeden z najbardziej skomplikowanych instrumentów naukowych współczesności. To urządzenie, zarządzane przez CERN, zaprojektowane jest do zderzania protonów z prędkością bliską prędkości światła, tworząc warunki podobne do tych, które istniały bezpośrednio po Wielkim Wybuchu.

Jednym z kluczowych celów LHC jest poszukiwanie ciemnej materii, tajemniczej formy materii, która stanowi około 27% wszechświata, a która jeszcze nie została bezpośrednio zaobserwowana. Naukowcy, tacy jak fizyk Ashutosh Kotwal, próbują odkryć naturę tej materii za pomocą zaawansowanych detektorów działających jak gigantyczne trójwymiarowe kamery cyfrowe. Ciągle rejestrują one strumienie cząstek powstałych w wyniku zderzeń protonów, mając nadzieję na zauważenie niewidocznych śladów ciemnej materii.

LHC umożliwia badaczom poszukiwanie ciemnej materii za pomocą technik takich jak "brakujący pęd". Odnosi się to do sytuacji, w których brakuje części energii i pędu w wykrytych cząstkach, co może sugerować obecność niewidzialnej ciemnej materii. Badacze analizują dane za pomocą zaawansowanych algorytmów i sztucznej inteligencji, aby przefiltrować miliony zderzeń i zachować te, które mogą zawierać wskazówki dotyczące ciemnej materii.

Niedawne badania w LHC obejmują badanie ciemnych fotonów, hipotetycznych cząstek, które mogą powstać w wyniku rozpadu bozonów Higgsa. Te ciemne fotony uważane są za egzotyczne, ponieważ nie należą do standardowego modelu fizyki cząstek. Mogą one dostarczyć nowych wglądów w strukturę wszechświata i naturę ciemnej materii.

Dodatkowo, LHC niedawno zwiększył swoją energię zderzeń do rekordowych 13,6 TeV, co pozwala na głębsze badanie plazmy kwarkowo-gluonowej, stanu materii, który istniał w pierwszych mikrosekundach po Wielkim Wybuchu. Badania te nie tylko pomagają zrozumieć wczesne momenty wszechświata, ale mogą również przyczynić się do bardziej precyzyjnych pomiarów właściwości ciemnej materii i innych egzotycznych cząstek.

Pomimo znacznych postępów, ciemna materia pozostaje jedną z największych tajemnic współczesnej fizyki. Naukowcy wierzą, że jej wykrycie wymaga połączenia różnych podejść, w tym eksperymentów w akceleratorach takich jak LHC oraz obserwacji astrofizycznych za pomocą teleskopów na Ziemi i w kosmosie. Dzięki tym wysiłkom mają nadzieję ostatecznie rozświetlić ciemną stronę wszechświata.

Oprócz innowacji technologicznych w detektorach, badacze planują wdrożenie nowych systemów, takich jak algorytmy "track trigger", które wykorzystują sztuczną inteligencję do szybkiej identyfikacji i śledzenia przemijających śladów cząstek. Systemy te umożliwiają wybór najważniejszych danych w czasie rzeczywistym, co znacznie zwiększa wydajność w wykrywaniu potencjalnych dowodów na istnienie ciemnej materii.

Kotwal i jego zespół pracują obecnie nad opracowaniem prototypu tego urządzenia, a przewiduje się, że pełny system będzie gotowy do instalacji w detektorach LHC w ciągu najbliższych kilku lat. Dzięki ciągłemu ulepszaniu wydajności akceleratorów i detektorów, naukowcy wierzą, że są coraz bliżej odpowiedzi na pytanie o istnienie i naturę ciemnej materii.

Te badania są kluczowe dla zrozumienia podstawowej struktury wszechświata i mogą otworzyć drzwi do nowych teorii fizycznych, które rozszerzyłyby naszą wiedzę poza obecnie akceptowany standardowy model fizyki cząstek.

Źródło: Duke University