Поиски темной материи не увенчались успехом, но, к счастью, они позволили установить важные пределы, которые помогут будущим экспериментам сузить круг поисков этого неуловимого вещества.
Большинство астрономов считают, что на темную материю приходится 85 процентов всей массы Вселенной и что ее существование объясняет очевидную дополнительную гравитацию, обнаруживаемую вокруг галактик и внутри огромных галактических скоплений. Однако до сих пор никто не смог определить, из чего состоит темная материя.
До недавнего времени в качестве основного подозреваемого рассматривалась разновидность частиц, называемая WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Считается, что эти теоретические частицы практически не взаимодействуют с обычной материей, за исключением случаев, когда речь идет о гравитации. Однако Большой адронный коллайдер (БАК), самый большой и мощный в мире ускоритель частиц, не смог найти доказательств существования WIMP.
Поэтому теоретикам приходится искать альтернативные теории того, чем может быть темная материя.
«WIMP — это один из классов частиц, которые, согласно гипотезе, объясняют темную материю, поскольку они не поглощают и не излучают свет и не сильно взаимодействуют с другими частицами«, — сказал в своем заявлении Дипак Кар, профессор физики Университета Витватерсранда в Йоханнесбурге. «Однако, поскольку до сих пор не было найдено никаких доказательств существования WIMP, мы поняли, что поиск темной материи требует смены парадигмы».
Некоторые альтернативные модели темной материи предполагают, что вместо слабого взаимодействия темная материя может сильно взаимодействовать с некоторыми частицами в Стандартной модели — системе физики частиц, которая описывает все известные частицы, а также то, как каждая частица взаимодействует и связана друг с другом. Считается, что частицы темной материи существуют за пределами Стандартной модели; модели, предсказывающие сильное взаимодействие темной материи, скорее описывают целый зверинец теоретических частиц, начиная с базовых «темных кварков» и «темных глюонов». Это как бы темные зеркала кварков и глюонов, которые являются фундаментальными строительными блоками всей видимой материи и, несомненно, присутствуют в Стандартной модели.
Теперь Кар и его бывшая студентка Суканья Синха, которая сейчас работает в Манчестерском университете в Великобритании, разработали новый способ поиска этих потенциальных темных кварков и темных глюонов в высокоэнергетических столкновениях протонов, которые происходят в БАКе.
Когда протоны сближаются почти со скоростью света внутри БАКа, они распадаются на составляющие их кварки и глюоны, которые быстро распадаются, создавая поток короткоживущих субатомных частиц. Эти потоки частиц называют «струями».
Идея Кар и Синхи, которая легла в основу докторской диссертации Синхи, заключается в том, что возможные темные кварки и темные глюоны могут распадаться, создавая смесь частиц, некоторые из которых обычные, а некоторые темные. Это привело бы к появлению того, что они называют «полувидимыми» струями. Струи образуются парами, объясняют они, и если бы одна обычная струя и одна полувидимая струя были произведены рядом, темные частицы унесли бы часть энергии, что привело бы к заметному нарушению энергетического баланса, поскольку темные частицы не были бы видны.
Кар и Синха возглавили поиск этих энергетических дисбалансов с помощью эксперимента ATLAS на БАКе. Поскольку небольшая ошибка в измерении двух обычных струй может имитировать энергетический дисбаланс полувидимой струи, данные ATLAS пришлось анализировать очень тщательно.
Однако дуэт не нашел никаких доказательств существования полувидимых струй — но это не значит, что их не существует.
Результаты работы ATLAS, опубликованные в журнале , указывают на верхние пределы свойств этих теоретических темных частиц, позволяя будущим экспериментам по их поиску быть точно настроенными.