2HDM+a çerçevesi içinde ATLAS karanlık madde aramalarının birleşimi ve özeti

1930’larda İsviçreli gökbilimci Fritz Zwicky, Coma Kümesi’ndeki galaksilerin hızlarının yalnızca ışıklı maddenin çekim gücüyle sürdürülemeyecek kadar yüksek olduğunu gözlemledi. Galaksi kümesi içinde karanlık madde adını verdiği ışıksız bir maddenin varlığını öne sürdü. Bu keşif, insanlığın karanlık maddeyi anlama ve incelemesinin başlangıcını işaret etti.

Günümüzde evrendeki karanlık maddenin en hassas ölçümleri kozmik mikrodalga arka planının gözlemlerinden elde edilmektedir. Planck uydusundan elde edilen son sonuçlar, evrenimizdeki kütlenin yaklaşık %5’inin görünür maddeden (çoğunlukla baryonik madde), yaklaşık %27’sinin karanlık maddeden ve geri kalanının karanlık enerjiden geldiğini göstermektedir.

Karanlık maddenin varlığını doğrulayan kapsamlı astronomik gözlemlere rağmen, karanlık madde parçacıklarının özellikleri hakkında sınırlı bilgiye sahibiz. Mikroskobik bir bakış açısından, 20. yüzyılın ortalarında kurulan parçacık fiziğinin Standart Modeli büyük ölçüde başarılı olmuş ve çok sayıda deneyle doğrulanmıştır.

Ancak Standart Model, evrendeki karanlık maddenin varlığını açıklayamıyor ve bu da karanlık madde aday parçacıklarını açıklamak için Standart Model’in ötesinde yeni fiziğe ihtiyaç duyulduğunu ve bu adaylara dair deneysel kanıtların bulunmasının acilen gerekli olduğunu gösteriyor.

Sonuç olarak, karanlık madde araştırması yalnızca astronomide sıcak bir konu değil, aynı zamanda parçacık fiziği araştırmasının da ön saflarında yer almaktadır. Çarpıştırıcılarda karanlık madde parçacıklarını aramak, karanlık madde ile normal madde arasındaki etkileşimi tespit etmek için üç ana deneysel yaklaşımdan biridir ve yeraltı doğrudan tespit deneyleri ve uzay tabanlı dolaylı tespit deneyleri gibi diğer karanlık madde tespit deneyi türlerini tamamlar.

Son zamanlarda ATLAS işbirliği 139 fb kullanarak karanlık maddeyi aradı^-1 LHC’nin 2. Çalışması sırasında toplanan proton-proton çarpışma verilerinin 2HDM+a karanlık madde teorik çerçevesi içinde. Arama, geleneksel karanlık madde modellerinde dikkate alınmayan bazıları da dahil olmak üzere çeşitli karanlık madde üretim süreçlerini ve deneysel imzaları kullandı.

Karanlık madde araştırmasının hassasiyetini daha da artırmak için, bu çalışma istatistiksel olarak en hassas üç deneysel imzayı birleştirdi: büyük eksik enine momentuma sahip leptonlara bozunan bir Z bozonunu içeren süreç, büyük eksik enine momentuma sahip alt kuarklara bozunan bir Higgs bozonunu içeren süreç ve üst ve alt kuark son durumlarına sahip yüklü bir Higgs bozonunu içeren süreç.

Bu, ATLAS’ın karanlık madde parçacıkları ve doğrudan Standart Model parçacıklarına bozunan ara durumlar dahil olmak üzere son durumların birleşik istatistiksel analizini gerçekleştirdiği ilk seferdir. Bu yenilik, model parametre uzayındaki kısıtlamayı ve yeni fiziğe duyarlılığı önemli ölçüde artırmıştır.

“Bu çalışma, LHC’de yeni fizik arayışındaki en büyük projelerden biri olup, yaklaşık 20 farklı analiz kanalını içeriyor. Yeni fiziğin parametre alanını sınırlamak için farklı analiz kanallarının tamamlayıcı niteliği, çarpıştırıcı deneylerinin benzersiz avantajlarını vurguluyor,” diyor Michigan Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı Zirui Wang.

Bu çalışma, önceki deneyler tarafından hiç keşfedilmemiş bazı parametre uzayları da dahil olmak üzere, 2HDM+a teorik çerçevesi içinde birden fazla yeni kıyaslama parametre modeli üzerinde güçlü deneysel kısıtlamalar sağlamıştır. Bu, 2HDM+a karanlık madde modeli için ATLAS iş birliğinden elde edilen en kapsamlı deneysel sonucu temsil etmektedir.

Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nde profesör olan Lailin Xu, “2HDM+a, günümüz dünyasında karanlık madde için ana akım yeni fizik teorik çerçevelerinden biridir. Karanlık madde fenomenlerini tahmin etmede ve mevcut deneysel kısıtlamalarla uyumlulukta önemli avantajlara sahiptir ve LHC deneylerinde zengin çeşitlilikte karanlık madde üretim süreçlerini tahmin eder.” dedi.

“Bu çalışma, 2HDM+a model çerçevesine dayalı çoklu işlem aramalarını ve birleşik istatistiksel analizi sistematik olarak gerçekleştirerek, karanlık madde için olası parametre alanının büyük bir bölümünü hariç tutan sonuçlar sağladı ve gelecekteki karanlık madde aramaları için önemli rehberlik sundu.”

Tsung-Dao Lee Enstitüsü’nde doktora sonrası araştırmacı olan Vu Ngoc Khanh, “LHC’de henüz karanlık madde parçacıkları bulamamış olsak da, LHC’nin faaliyete geçmesinden önceye kıyasla karanlık maddenin var olabileceği parametre uzayına, karanlık madde parçacıklarının kütlesi ve diğer parçacıklarla etkileşim kuvvetleri de dahil olmak üzere sıkı kısıtlamalar koyduk ve bu da arama kapsamını daha da daralttı.” dedi.

Tsung Dao Lee Üyesi Li Shu, “Şimdiye kadar LHC tarafından toplanan veriler, deneyin kaydedeceği toplam verinin yalnızca yaklaşık %7’sini oluşturuyor. LHC’nin önümüzdeki 20 yıl içinde üreteceği veriler, karanlık maddeyi keşfetmek için muazzam bir fırsat sunuyor. Geçmiş deneyimlerimiz bize karanlık maddenin başlangıçta düşündüğümüzden farklı olabileceğini gösterdi, bu da bizi araştırmamızda daha yenilikçi deneysel yöntemler ve teknikler kullanmaya motive ediyor.” diye ekledi.