Ученые нашли способ поймать таинственную темную частицу

После того, как физики нашли бозон Хиггса, ученые Большого адронного коллайдера нацелились на еще более неуловимую цель.

Вокруг нас существует темная материя и темная энергия — невидимые вещества, которые связывают галактику вместе, но которые никто и никогда не смог обнаружить. «Мы точно знаем, что есть темный мир, и в нем больше энергии, чем в нашем», — сказал Лиан Тао Ван, профессор физики Чикагского университета, который изучает, как находить таинственные сигналы в ускорителях частиц, таких как БАК.

Тао Ван вместе с другими учеными считают, что они могут обнаружить таинственную темную частицу; в статье, опубликованной в Physical Review Letters, они изложили инновационный метод исследования темной материи в БАК, используя немного более медленную скорость потенциальной частицы.

В то время как темный мир составляет более 95 процентов вселенной, ученые знают, что он существует только благодаря его эффектам. Например, мы знаем, что есть темная материя, потому что мы можем видеть действующую гравитацию — она ​​помогает удержать нашу галактику от разрыва.

Сегодня теоретики считают, что есть один особый вид темной частицы, которая лишь изредка взаимодействует с обычной материей. Она будет тяжелее, чем другие известные частицы, со временем жизни до одной десятой секунды. Исследователи полагают, что несколько раз за десятилетие эта частица может попасть в ловушку от столкновения протонов, которые БАК постоянно создает и измеряет.

«Одна особенно интересная возможность состоит в том, что эти долгоживущие темные частицы каким-то образом связаны с бозоном Хиггса — что Хиггс на самом деле является порталом к ​​темному миру», — сказал Тао Ван. «Возможно, что Хиггс действительно может распасться на эти долгоживущие частицы».

Единственная проблема состоит в том, чтобы отделить эти события от всех остальных; в 27-километровом кольце БАКа происходит более миллиарда столкновений в секунду, и каждое из них посылает субатомные выбросы во всех направлениях.

Исследователи предложили новый способ поиска, используя один конкретный аспект такой темной частицы. «Если она настолько тяжелая, ее производство требует затрат энергии, поэтому ее импульс не будет большим — она будет двигаться медленнее, чем скорость света».

Эта временная задержка отличает ее от всех остальных нормальных частиц. Ученым нужно только настроить систему, чтобы найти частицы, которые образуются, а затем распадаться немного медленнее, чем все остальные.

Разница составляет порядка наносекунды — миллиардной доли секунды или меньше. Но у БАКа уже есть достаточно сложные детекторы, чтобы уловить эту разницу. Недавнее исследование с использованием данных, собранных с последнего запуска, показало, что метод должен работать, плюс детекторы станут еще более чувствительными в рамках проводимого в настоящее время обновления.

По словам ученых, экспериментаторы уже работают над созданием новой ловушки. Когда БАК снова включится в 2021 году, после увеличения его чувствительности в 10 раз, все три основных детектора будут внедрены в новую систему. Физики считают, что есть большой потенциал для открытия.

«Если темная частица есть, мы просто должны найти способ ее обнаружить», — сказал Ван. «Обычно главное — это найти правильный вопрос, который нужно задать».

Jia Liu et al. Enhancing Long-Lived Particles Searches at the LHC with Precision Timing Information, Physical Review Letters (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.131801