Учёные ЦЕРН разработали новый способ поиска частиц темной материи при помощи Большого адронного коллайдера. Применили его прошлой осенью, результаты оказались неоднозначными: частиц пока не обнаружили, но выяснилось, в каких диапазонах энергий вимпы точно отсутствуют.
Темная материя – одна из самых загадочных проблем современной физики. Уже почти сто лет существуют хорошо подтвержденные теории строения мира, но более чем 95 процентов Вселенной остаются неясными. Две трети всей массы Вселенной составляют темная энергия (о ней в другой раз), а около четверти – неуловимые частицы с неизвестной природой. Поэтому ученые стремятся найти способы их регистрации.
Есть определённые успехи, но прогресс крайне медленный. Участники коллаборации предложили несколько мер для его ускорения. ATLAS— одного из четырёх главных экспериментов, проводимых на Большом адронном коллайдере. LHCЕвропейской организации ядерных исследований CERN CERN). Суть идеи Дипака Кара (Deepak Kar) и Суканьи Синха (Sukanya Sinha) заключается в следующем.
По некоторым моделям, частицы темной материи состоят из «зеркальных» версий фундаментальных элементов обычной материи. Предполагается существование «темных кварков» и «темных глюонов». Эти элементарные частицы обладают рядом важных свойств. Прежде всего, они легко вписываются в модели темной материи, предполагающие наличие слабо взаимодействующих частиц (wimпов). WIMPВо-вторых, в особых ситуациях темные кварки соединенные глюонами могут взаимодействовать с обычными частицами, но это случается очень редко.
Включение дополнительных частиц в теоретические модели, помимо тех, что есть в Стандартной модели, не выглядит хорошим решением. Для проверки этой идеи не требуются новые детекторы или эксперименты. Следы темных кварков должны быть видны в данных столкновений частиц на БАК, полученных или запланированных. Кар и Синха детально разработали свою гипотезу и вместе с коллегами проверили её на имеющихся данных.
Наука выложила итоги исследования в проверенный журнал. Physics Letters B, текст находится в открытом доступе. С обзором научной статьи можно ознакомиться на портале эксперимента ATLAS и на сайте Университета Витватерсранда (University of the Witwatersrand, Йоханнесбург, ЮАР).
Большой адронный коллайдер ускоряет протоны или тяжелые ионы до скорости, почти равной скорости света (всего на 11 километров в час меньше). При столкновении они разрушаются на элементарные частицы, которые либо регистрируются детекторами без изменений, либо проходят цепочки преобразований. Анализируя частицы, образовавшиеся в результате этих преобразований, ученые изучают фундаментальные взаимодействия природы и уточняют существующие теоретические модели.
При столкновениях даже кратковременных, если появлялись темные кварки и глюоны, их след обнаружим в данных БАК. Обычно пары пучков продуктов столкновений обладают одинаковой энергией, значит суммарная энергия всех частиц, захваченных экспериментом, должна быть равной по обе стороны детектора. Однако темные частицы с детектором не взаимодействуют и унесут энергию — возникнет неравенство.
Объем получаемой на установке информации велик, анализ занимает годы. Тем не менее Кар и Синха проверили свою гипотезу. Следов вимпов найти не удалось. Но получилось ограничить спектр энергий частиц, в котором могут «прятаться» несимметричные пучки продуктов столкновений. Их называют полуневидимыми, поскольку частично их всё же можно заметить.