Sección transversal de la producción de antiprotones en las colisiones de protones del LHC con núcleos de helio en función de la energía del antiprotón en diferentes rangos de energía. Algunos de los modelos más populares utilizados en la física de rayos cósmicos están representados por líneas sólidas de colores, y los resultados de LHCb son los puntos de datos superpuestos. La dispersión entre las predicciones del modelo indica la gran incertidumbre sobre el valor de la sección transversal de producción de antimateria en las colisiones protón-helio antes de la medición de LHCb. Cabe señalar que la escala vertical es logarítmica, por lo tanto, un pequeño desplazamiento vertical (de los puntos de datos) corresponde a una gran diferencia real con respecto a los modelos teóricos, representado por las líneas de color. Crédito:Colaboración LHCb
La semana pasada en el 52o Rencontres de Moriond EW en La Thuile, Italia, el experimento LHCb presentó los resultados de un estudio inusual y sin precedentes. En lugar de las habituales colisiones protón-protón, esta vez el detector LHCb registró colisiones entre protones y núcleos de helio, que se inyectaron cerca del punto de interacción del experimento. Este tipo de colisión generalmente solo se puede ver muy por encima de la atmósfera de la Tierra, donde las partículas de rayos cósmicos - partículas altamente energéticas del exterior del Sistema Solar - golpean el "polvo" interestelar compuesto principalmente de hidrógeno y helio, y son detectados por experimentos basados en satélites. Los científicos quieren comprender mejor este proceso y, en particular, están tratando de comprender cuántos antiprotones se crean cuando los protones de rayos cósmicos de alta energía golpean los núcleos de helio del medio interestelar.
La razón última de esto se relaciona con la búsqueda de señales de materia oscura. La materia oscura es un tipo de materia invisible, es decir, no emite ningún tipo de radiación electromagnética, que constituye una cuarta parte del contenido de materia-energía de nuestro universo. pero su origen aún se desconoce. Si la materia oscura está hecha de algún tipo de partículas estables (aún no descubiertas), cuya existencia está prevista en muchas extensiones del Modelo Estándar de física de partículas, estas partículas de materia oscura pueden colisionar y producir partículas y antipartículas ordinarias, especialmente incluyendo antiprotones.
Sin embargo, Los antiprotones también se pueden crear mediante la colisión de protones de rayos cósmicos con núcleos de hidrógeno y helio en el medio interestelar. Por lo tanto, un signo potencial de la presencia de materia oscura podría ser la observación de un número de antiprotones que excede lo esperado de los procesos "estándar". Y de hecho, Los experimentos basados en el espacio PAMELA y AMS-02 encontraron exactamente un exceso tan intrigante de antiprotones en comparación con los protones en las mediciones de rayos cósmicos, con un impresionante nivel de precisión.
¿Eureka? Desafortunadamente aún no, Dado que nuestra comprensión teórica de la producción de antiprotones a partir de colisiones de rayos cósmicos todavía se ve afectada por grandes incertidumbres, especialmente en lo que respecta a la probabilidad de producción de antiprotones en colisiones protón-helio (la denominada "sección transversal"). Una determinación precisa del número esperado de antiprotones de los rayos cósmicos ha sido imposible hasta ahora, impidiendo así una interpretación sencilla de los resultados de los experimentos del satélite.
Un ejemplo de un evento de colisión protón-helio completamente reconstruido en el detector LHCb. La partícula identificada como antiprotón se muestra en rosa. Crédito:Colaboración LHCb
Aquí es donde entró el experimento LHCb. La idea de inyectar gases nobles, como el neón, helio y argón - en la tubería del haz cerca de la región de interacción se propuso por varias razones relacionadas con las mediciones de luminosidad del haz de protones. Pero su potencial fue rápidamente reconocido por los físicos del LHCb y sus colegas que trabajan en física de astropartículas:la técnica de inyección de gas también podría usarse para simular el entorno cósmico y medir, por primera vez, la sección transversal de producción de antiprotones en colisiones protón-helio.
Los datos de colisión protón-helio utilizados en este análisis se registraron a principios de mayo de 2016. Gracias a sus capacidades especializadas para identificar varias partículas, en particular antiprotones, El experimento LHCb también pudo medir la sección transversal de producción de antiprotones en una amplia gama de energías relevantes, logrando una precisión global de alrededor del 10%. Esta medición reduce significativamente la incertidumbre sobre los valores de la sección transversal de producción de antimateria en las colisiones protón-helio que se han utilizado hasta ahora en modelos teóricos de rayos cósmicos (ver la imagen a continuación).
El resultado del LHCb tendrá un impacto considerable en las predicciones del número de antiprotones que se esperan de las colisiones de rayos cósmicos con el medio interestelar. y la comunidad astrofísica está ahora ocupada incorporándola a sus cálculos. Este trabajo permitirá que la interpretación de los datos de PAMELA y AMS-02 sobre el flujo de antiprotones desde el espacio sea más restringida, arrojando luz sobre su posible origen de materia oscura.
Puede encontrar más información sobre este resultado en el sitio web del LHCb.
