Темная материя может скрываться в струях частиц адронного коллайдера

Новый поиск темной материи оказался безуспешным, но, положительным моментом, эти усилия предоставили важные ограничения, которые помогут будущим экспериментам сузить поиски этого неуловимого вещества.

Большинство астрономов полагают, что темная материя составляет 85 процентов всей массы Вселенной и что ее существование могло бы объяснить кажущуюся дополнительную гравитацию, обнаруживаемую вокруг галактик и внутри огромных скоплений галактик.

Однако до сих пор никому не удалось определить, из чего состоит темная материя. До недавнего времени главным подозреваемым была разновидность частиц под названием WIMP, что является изящной аббревиатурой от «слабо взаимодействующих массивных частиц». Считается, что эти теоретические частицы почти не взаимодействуют с обычной материей, за исключением случаев, когда дело касается гравитации.

Однако Большой адронный коллайдер (БАК), крупнейший и самый мощный в мире ускоритель частиц, не смог предоставить доказательств существования вимпов. Таким образом, теоретикам приходится изо всех сил искать альтернативные теории того, чем может быть темная материя.

«Вимпы — это один из классов частиц, которые, как предполагается, объясняют темную материю, поскольку они не поглощают и не излучают свет и не взаимодействуют сильно с другими частицами», — сказал Дипак Кар, профессор физики университета Витватерсранда в Йоханнесбурге.

«Однако, поскольку до сих пор не было обнаружено никаких доказательств существования вимпов, мы поняли, что поиск темной материи требует смены парадигмы». Некоторые альтернативные модели темной материи предполагают, что темная материя не является слабым взаимодействием, а может сильно взаимодействовать с некоторыми частицами в стандартной модели, которая представляет собой основу физики элементарных частиц, описывающую каждую известную частицу, а также то, как каждая частица взаимодействует с ней. и относится друг к другу.

Считается, что частицы темной материи существуют за пределами Стандартной модели; модели, которые предсказывают сильно взаимодействующую темную материю, скорее, описывают целый зверинец теоретических частиц, начиная с основных «темных кварков» и «темных глюонов». Они подобны темным зеркалам кварков и глюонов, которые являются фундаментальными строительными блоками всей видимой материи и наверняка присутствуют в стандартной модели.

Теперь Кар и его бывший студент Суканья Синха, который сейчас учится в Манчестерском университете в Великобритании, разработали новый способ поиска этих потенциальных темных кварков и темных глюонов в высокоэнергетических столкновениях между протонами, которые происходят внутри БАКа.

Когда протоны собираются вместе внутри БАКа почти со скоростью света, они разбиваются на составные кварки и глюоны, которые быстро распадаются, образуя поток короткоживущих субатомных частиц.

Эти потоки частиц называются «струями». Идея Кар и Синхи, которая легла в основу докторской диссертации Синхи, заключается в том, что возможные темные кварки и темные глюоны могут распадаться с образованием смеси частиц, как обычных, так и темных.

Это приведет к появлению того, что они называют «полувидимыми» самолетами. Они объясняют, что струи рождаются парами, и если бы одна нормальная и одна полувидимая струи были созданы бок о бок, темные частицы унесли бы часть энергии, что привело бы к явному энергетическому дисбалансу, поскольку темные частицы не было бы видно.

Кар и Синха возглавили поиск этих энергетических дисбалансов с помощью эксперимента ATLAS на БАКе. Однако, поскольку небольшая ошибка в измерении двух нормальных струй могла имитировать энергетический дисбаланс полувидимой струи, данные ATLAS необходимо было проанализировать очень тщательно.

Дуэт не нашел никаких доказательств существования полувидимых самолетов, но это не значит, что их не существует. Результаты ATLAS, опубликованные в журнале Physics Letters B, указывают на верхние пределы свойств этих теоретических темных частиц, что позволяет уточнить будущие эксперименты по их поиску.