Ученые, работающие в ЦЕРН, разработали новый подход к поиску частиц темной материи, используя Большой адронный коллайдер. Этот метод был впервые применен прошлым летом, и полученные результаты оказались неоднозначными. Несмотря на то, что ожидаемые частицы пока не обнаружены, исследователи теперь располагают информацией о диапазонах энергий, в которых вимпы, вероятно, не существуют.
Темная материя представляет собой одну из самых больших тайн, стоящих перед современной физикой. Парадоксально, но несмотря на то, что у нас уже почти столетие существуют хорошо обоснованные теории, объясняющие устройство мира, мы до сих пор не можем с уверенностью определить, из чего состоит более 95 процентов Вселенной. Около двух третей общей массы Вселенной приходится на темную энергию (ее мы обсудим в другой раз), а приблизительно четверть — на таинственные частицы, природа которых остается неизвестной. В связи с этим, ученые активно разрабатывают различные методы для их обнаружения.
Зафиксированы определенные достижения, однако прогресс остается крайне медленным. Участники коллаборации высказали предложение о его небольшому ускорению ATLAS — относится к числу четырех ключевых экспериментов, осуществляемых на Большом адронном коллайдере (БАК, LHC) европейской организации ядерных исследований ЦЕРН ( CERN). Суть идеи Дипака Кара (Deepak Kar) и Суканьи Синха (Sukanya Sinha) заключается в следующем.
Некоторые модели предполагают, что частицы темной материи представляют собой «зеркальные» аналоги фундаментальных составляющих обычной (барионной) материи, а именно «темные кварки» и «темные глюоны». Эти элементарные частицы обладают рядом потенциально значимых свойств. Прежде всего, они легко интегрируются в модели темной материи, предусматривающие существование слабо взаимодействующих частиц (вимпов, WIMP). В частности, взаимодействие темных кварков с глюонами, при соблюдении определенных условий, все же возможно, хотя и случается это нечасто.
Добавление новых частиц в теоретические модели, помимо тех, что уже учтены в Стандартной модели, редко представляется удачным подходом. Тем не менее, для оценки этой гипотезы не требуется создание новых детекторов или проведение дополнительных экспериментов. Следы темных кварков должны быть заметны в данных, полученных в результате уже проведенных или запланированных столкновений частиц на Большом адронном коллайдере. Кар и Синха тщательно разработали свою гипотезу и вместе с коллегами проверили ее на основе имеющихся данных.
Данное исследование было представлено и одобрено для публикации в научном журнале с экспертной оценкой 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 почти до скорости света, отставая от нее всего на 11 километров в час. При столкновении эти частицы распадаются на элементарные составляющие, которые либо фиксируются детекторами в первоначальном состоянии, либо участвуют в последовательности превращений. Анализируя частицы, образовавшиеся в результате этих превращений, ученые изучают базовые взаимодействия в природе и вносят коррективы в существующие теоретические модели.
В случае столкновений, даже кратковременных, если образуются темные кварки и глюоны, их проявления можно зафиксировать в данных, полученных на Большом адронном коллайдере. Как правило, парные потоки продуктов столкновений обладают равной энергией, поэтому суммарная энергия всех частиц, зарегистрированных в эксперименте, должна быть одинаковой с обеих сторон детектора. Однако темные частицы не будут взаимодействовать с детектором и унесут часть энергии, что приведет к возникновению дисбаланса.
Объем данных, получаемых на установке, настолько огромен, что их анализ требует нескольких лет. Однако Кар и Синха смогли провести первоначальную проверку своей гипотезы. Поиск вимпов не дал результатов — новое исследование не выявило никаких неожиданностей. Вместе с тем, удалось сузить диапазон энергий частиц, в пределах которого могут находиться искомые несимметричные пучки продуктов столкновений. Ученые называют их полуневидимыми, поскольку их частичное обнаружение все же возможно.