Большой Адронный Коллайдер ищет темную материю

Было подсчитано, что темная материя составляет более 20% массы-энергии Вселенной, но все же мы до сих пор не обнаружили ее напрямую. Многие различные типы экспериментов пытаются найти ее, и теперь ЦЕРН присоединился к охоте, проверяя, может ли знаменитый бозон Хиггса распадаться на частицы темной материи.

Большой Адронный Коллайдер (БАК) исследует тайны Вселенной, сталкивая частицы друг с другом с невероятной скоростью. При этом часто создаются новые и экзотические типы частиц, что дает ученым мимолетную возможность изучать частицы, которые было бы практически невозможно обнаружить естественным путем.

Одним из самых новаторских открытий, сделанных БАКом, является бозон Хиггса в 2012 году. Эта давно предполагаемая частица была последним оставшимся кусочком головоломки в Стандартной модели физики элементарных частиц, который, как полагают, создает средства, с помощью которых другие элементарные частицы приобретают массу.

С момента своего открытия ученые использовали бозон Хиггса в качестве инструмента для исследования других загадок физики элементарных частиц. Бозон быстро распадается на другие частицы, и предполагается, что некоторые из них не могут быть непосредственно обнаружены оборудованием.

Но в этом случае «не-обнаружение» является более захватывающим, чем обнаружение. Некоторые типы частиц очень слабо взаимодействуют с обычной материей, поэтому, если бы бозон Хиггса произвел такие частицы, они бы просто уплыли, игнорируя стенки коллайдера. Тогда ученые могли бы заметить отсутствие энергии и смогли бы сделать некоторые выводы о «невидимых» частицах.

Только один невидимый продукт распада соответствует стандартной модели – если бозон Хиггса распадается на четыре нейтрино – но это крайне маловероятно, с вероятностью около 0,1 процента. Это означает, что если не-обнаружение происходит с какой-либо регулярностью, мы могли бы наткнуться на новые частицы.

И одна из этих невидимых частиц может быть квантом темной материей. Говорят, что это странное вещество пронизывает вселенную, эффективно удерживая ее всю вместе – и все же оно всегда остается неуловимым. Его гравитационное влияние очевидно, но оно, по-видимому, не отражает и не испускает никакого света.

Учитывая роль бозона Хиггса в “придании» частицам массы, а темную материю можно обнаружить только через ее массу, они должны взаимодействовать друг с другом. Поэтому для нового исследования ученые из коллаборации ATLAS в ЦЕРНе решили проверить, может ли бозон Хиггса распадаться на частицы темной материи.

Физики изучили весь набор данных со второго запуска БАК, который состоялся между 2015 и 2018 годами. Это примерно 100 квадриллионов столкновений. И во всех этих данных исследователи не обнаружили никакого превышения событий невидимых частиц над фоновым числом, которое можно было бы ожидать от известных процессов в Стандартной модели.

Исходя из этого, ученые смогли сузить верхний предел того, как часто бозон Хиггса распадается на невидимые частицы – не более чем в 13 процентах случаев. Это все еще может звучать как много, но только по сравнению с предыдущими моделями, которые предполагали, что это может происходить в 30 процентах случаев.

Исследователи говорят, что даже несмотря на то, что они не нашли никаких признаков темной материи на этот раз, работа все еще помогает наложить ограничения на свойства этого загадочного вещества.

Или, возможно, мы просто приближаемся к пониманию того, что его не существует, и наши модели нуждаются в корректировке. В любом случае, поиски продолжаются.

Исследование было представлено на семинаре БАК и опубликовано онлайн.