Физики из Австралии значительно ограничили область поиска частиц тёмной материи

Доктор Дэниел Маркантонио из Мельбурнского университета представил обновленные результаты анализа данных, полученных на установке Belle. Итогом работы стали самые строгие на текущий момент барьеры для редких каналов распада субатомных частиц, что нашло отражение в публикации журнала Physical Review Letters.

Исследование сфокусировано на поиске слабо взаимодействующих частиц (FIP) — гипотетических объектов, которые могли бы стать ключом к новой физике за пределами Стандартной модели. Предполагается, что такие частицы способны сообщаться с «тёмным сектором» посредством специфических взаимодействий. В центре внимания — поиск невидимой частицы X(inv), проявляющейся через дефицит энергии в продуктах распада B-мезонов.

Базой для научной работы послужили данные, собранные в японском центре KEK в результате столкновений электронов и позитронов. Интегральная светимость составила порядка 711 fb-1, что эквивалентно более чем 770 миллионам пар B-мезонов. Эти частицы, обладающие b-кварком, являются идеальными инструментами для изучения редких процессов, в частности, изменения аромата через нейтральные токи (FCNC), которые в рамках Стандартной модели имеют крайне низкую вероятность.

Эксперты провели анализ пяти различных каналов распада, включая заряженные и нейтральные состояния. Для трех из них подобный глубокий анализ был осуществлен впервые, что делает исследование новаторским в своей области.

Для реконструкции событий исследователи применили метод FEI (Full Event Interpretation). Этот продвинутый подход позволяет с высокой точностью идентифицировать один из B-мезонов по множеству сигнатур, что дает возможность зафиксировать кинематику и выявить «потерянную энергию» — индикатор наличия невидимой частицы, проходящей сквозь детектор без следа.

Для эффективной фильтрации фонового шума были задействованы многомерные классификаторы на базе градиентного бустинга (BDT), успешно отделяющие полезный сигнал от комбинаторных помех. Данный шаг был критически важен, так как искомые эффекты выражаются в тонких искажениях импульса отдачи, а не в виде дискретных пиков.

Результаты эксперимента не выявили статистически значимых отклонений от предсказаний Стандартной модели. Тем не менее, в физике высоких энергий отсутствие сигнала является фундаментальным выводом: если бы новая частица обладала выраженной интенсивностью взаимодействия, она неминуемо проявилась бы как отчетливый пик.

На основе полученных данных были установлены предельно жесткие верхние границы вероятности распадов с уровнем достоверности 90% (CL). Эти ограничения позволяют уточнить силу связи гипотетических частиц, включая аксионоподобные кандидаты и объекты тёмного сектора, с известной материей.

Важнейшим достижением стали первые прямые ограничения для каналов, включающих очарованные мезоны. Эти данные исключили обширные области в параметрическом пространстве суперсимметрии и иных моделей «новой физики», где ранее сохранялась научная неопределенность.

Текущий контекст исследований, подкрепленный данными Belle и Belle II, показывает сохраняющиеся «напряжения» в редких распадах. Тем не менее, пространство для поиска стремительно сужается, оставляя лишь узкие ниши, скрытые резонансами чармония и D-мезонов, где разделить сигнал и фон крайне затруднительно.

Хотя новая частица не была обнаружена, данная работа существенно очертила границы «скрытой реальности». Тем самым «отрицательный результат» превращается в точную карту, позволяющую сфокусировать будущие эксперименты на наиболее перспективных направлениях поиска физики за пределами текущих представлений о Вселенной.

Источник: iXBT