In den 1930er Jahren stellte der Schweizer Astronom Fritz Zwicky fest, dass die Geschwindigkeiten der Galaxien im Coma-Haufen zu hoch waren, um allein durch die Gravitationskraft leuchtender Materie aufrechterhalten zu werden. Er vermutete die Existenz nicht leuchtender Materie innerhalb des Galaxienhaufens, die er dunkle Materie nannte. Diese Entdeckung markierte den Beginn des menschlichen Verständnisses und der Erforschung dunkler Materie.
Die genauesten Messungen der Dunklen Materie im Universum stammen heute aus Beobachtungen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung. Die neuesten Ergebnisse des Planck-Satelliten zeigen, dass etwa 5 % der Masse unseres Universums aus sichtbarer Materie (hauptsächlich baryonischer Materie) besteht, etwa 27 % aus Dunkler Materie und der Rest aus Dunkler Energie.
Obwohl umfangreiche astronomische Beobachtungen die Existenz dunkler Materie bestätigen, wissen wir nur wenig über die Eigenschaften von Dunkle-Materie-Teilchen. Aus mikroskopischer Sicht war das Mitte des 20. Jahrhunderts aufgestellte Standardmodell der Teilchenphysik äußerst erfolgreich und wurde durch zahlreiche Experimente bestätigt.
Das Standardmodell kann die Existenz dunkler Materie im Universum allerdings nicht erklären. Dies zeigt, dass wir über das Standardmodell hinaus neue physikalische Gesetze entwickeln müssen, um die Kandidatenteilchen der dunklen Materie zu erklären. Zudem müssen dringend experimentelle Beweise für diese Kandidaten gefunden werden.
Folglich ist die Erforschung der Dunklen Materie nicht nur ein heißes Thema in der Astronomie, sondern auch ein Schwerpunkt der Teilchenphysikforschung. Die Suche nach Dunkle-Materie-Partikeln in Kollidern ist einer der drei wichtigsten experimentellen Ansätze zur Entdeckung der Wechselwirkung zwischen Dunkler Materie und normaler Materie und ergänzt andere Arten von Experimenten zur Entdeckung Dunkler Materie, wie unterirdische direkte Entdeckungsexperimente und weltraumgestützte indirekte Entdeckungsexperimente.
Vor kurzem suchte die ATLAS-Kollaboration nach Dunkler Materie und verwendete dabei die 139 fb-1 Proton-Proton-Kollisionsdaten, die während des zweiten Laufs des LHC gesammelt wurden, im Rahmen des theoretischen Rahmens 2HDM+a für Dunkle Materie. Die Suche nutzte eine Vielzahl von Produktionsprozessen und experimentellen Signaturen für Dunkle Materie, darunter auch einige, die in traditionellen Dunkle-Materie-Modellen nicht berücksichtigt werden.
Um die Empfindlichkeit der Suche nach dunkler Materie weiter zu erhöhen, wurden in dieser Arbeit die drei empfindlichsten experimentellen Signaturen statistisch kombiniert: der Prozess des Zerfalls eines Z-Bosons in Leptonen mit großem fehlendem Querimpuls, der Prozess des Zerfalls eines Higgs-Bosons in Bottom-Quarks mit großem fehlendem Querimpuls und der Prozess des geladenen Higgs-Bosons mit Top- und Bottom-Quark-Endzuständen.
Dies ist das erste Mal, dass ATLAS eine kombinierte statistische Analyse von Endzuständen einschließlich Dunkle-Materie-Partikeln und Zwischenzuständen durchgeführt hat, die direkt in Partikel des Standardmodells zerfallen. Diese Innovation hat die Einschränkung des Modellparameterraums und die Sensibilität gegenüber neuer Physik deutlich verbessert.
„Diese Arbeit ist eines der größten Projekte auf der Suche nach neuer Physik am LHC und umfasst fast 20 verschiedene Analysekanäle. Die komplementäre Natur der verschiedenen Analysekanäle zur Einschränkung des Parameterraums neuer Physik unterstreicht die einzigartigen Vorteile von Collider-Experimenten“, sagte Zirui Wang, ein Postdoktorand an der University of Michigan.
Diese Arbeit hat starke experimentelle Einschränkungen für mehrere neue Benchmark-Parametermodelle innerhalb des theoretischen Rahmens von 2HDM+a geliefert, darunter auch einige Parameterräume, die in früheren Experimenten noch nie untersucht wurden. Dies stellt das umfassendste experimentelle Ergebnis der ATLAS-Zusammenarbeit für das 2HDM+a-Dunkle-Materie-Modell dar.
Lailin Xu, Professor an der University of Science and Technology of China, erklärte: „2HDM+a ist heute eines der wichtigsten neuen physikalischen theoretischen Rahmenwerke für dunkle Materie auf der Welt. Es bietet erhebliche Vorteile bei der Vorhersage von Phänomenen der dunklen Materie und ist mit den aktuellen experimentellen Einschränkungen kompatibel. Es sagt eine große Vielfalt von Produktionsprozessen dunkler Materie in LHC-Experimenten voraus.
„Im Rahmen dieser Arbeit wurden systematisch Mehrprozesssuchen und kombinierte statistische Analysen auf Grundlage des 2HDM+a-Modellrahmens durchgeführt. Die Ergebnisse schließen einen großen Teil des möglichen Parameterraums für Dunkle Materie aus und bieten wichtige Hinweise für zukünftige Suchen nach Dunkler Materie.“
Vu Ngoc Khanh, ein Postdoktorand am Tsung-Dao Lee-Institut, erklärte: „Obwohl wir im Vergleich zu vor dem LHC-Betrieb noch keine Dunkle-Materie-Partikel gefunden haben, haben wir dem Parameterraum, in dem Dunkle Materie existieren könnte, strenge Beschränkungen auferlegt, darunter die Masse der Dunkle-Materie-Partikel und die Stärke ihrer Wechselwirkung mit anderen Partikeln, was den Suchbereich weiter einschränkt.“
Tsung Dao Lee Fellow Li Shu fügte hinzu: „Bisher machen die vom LHC gesammelten Daten nur etwa 7 % der gesamten Daten aus, die das Experiment aufzeichnen wird. Die Daten, die der LHC in den nächsten 20 Jahren generieren wird, stellen eine enorme Chance dar, dunkle Materie zu entdecken. Unsere bisherigen Erfahrungen haben uns gezeigt, dass dunkle Materie anders sein könnte, als wir zunächst dachten, was uns motiviert, bei unserer Suche innovativere experimentelle Methoden und Techniken einzusetzen.“
Weitere Informationen:
G. Aad et al., Kombination und Zusammenfassung von ATLAS-Dunkle-Materie-Suchen, interpretiert in einem 2HDM mit einem pseudo-skalaren Mediator unter Verwendung von 139 fb−1 von s=13 TeV pp-Kollisionsdaten, Wissenschafts-Bulletin (2024). DOI: 10.1016/j.scib.2024.06.003