Ученые из международного сотрудничества NA62 обнародовали новые результаты поиска тёмных фотонов. Эти данные были получены благодаря анализу сведений, собранных детектором NA62 в ЦЕРНе в режиме сброса пучка.
Вопросы, связанные с тёмной материей, вызывают значительный интерес в сообществе физиков высоких энергий. В нашем распоряжении различные установки для поиска слабо взаимодействующих частиц, начиная от ускорителей и заканчивая лабораторными экспериментами на столе. Пока LHC стремится к высокой энергии столкновений, сталкивая протоны с энергией близкой к 14 теравольт, NA62, как эксперимент с фиксированной мишенью, сосредотачивается на высокой интенсивности, достигая квинтиллиона (1018) протонов в мишени ежегодно. Такая интенсивность предоставляет уникальные возможности для исследования редких процессов, выходящих за пределы Стандартной модели.
Алина Клейменова и Стефан Гинеску, участники коллаборации NA62
Тёмные фотоны представляют собой частицы, взаимодействующие с традиционной материей чрезвычайно слабо, что делает их труднодоступными для обнаружения с использованием стандартных методик. Они считаются потенциальными кандидатами на тёмную материю, составляющую примерно 85% массы Вселенной. Тёмные фотоны, также известные как A’, являются теоретическими частицами за пределами Стандартной модели, чьё взаимодействие может быть выявлено детектором NA62. Они способны соединяться с обычной материей через смешение с фотонами, известными в Стандартной модели, хотя их взаимодействие чрезвычайно слабое, что объясняет, почему их до сих пор нет в детекторах.
«Эта слабая связь приводит к продолжительному времени жизни, то есть в условиях NA62 A’ будет долго преодолевать расстояние от нескольких сантиметров до сотен метров перед распадом. В теории, если тёмный фотон является лёгчайшей частицей тёмной материи и его вес не превышает приблизительно 700 МэВ, он в первую очередь распадётся на лептонные пары, например, электроны и мюоны. NA62 предоставляет все необходимые для наблюдения этих распадов средства, включая длинную линию пучка (более 80 м от цели до зоны распада), а также точные системы для отслеживания, синхронизирования и идентификации частиц, и возможность работать в почти бесфоновом режиме», — пояснили Клейменова и Гинеску.
Основная задача недавнего исследования, проведенного в рамках коллаборации NA62, заключалась в оценке чувствительности детектора NA62 к распадам тёмных фотонов. Исследуя данные, собранные устройством, команда стремилась обнаружить сигналы, указывающие на присутствие тёмных фотонов.
«NA62 — это установка для экспериментов с каонами, ориентированная на точные измерения и изучение редких распадов каонов. Однако она может функционировать и в «режиме сброса», где целевая мишень убирается, и протонный пучок с энергией 400 ГэВ направляется на поглотитель с удвоенной интенсивностью», — объяснили авторы.
Теоретические модели предполагают, что при взаимодействии протонов с материалом сброса в детекторе NA62 могут образовываться разнообразные частицы из скрытых сегментов светового спектра массой около 1 ГэВ, включая тёмные фотоны. Эти частицы могут перемещаться и распадаться в области эксперимента детектора NA62.
Во время исследования ученые обработали данные, полученные из 1,4×1017 протонов при сбросе, собранные детектором NA62 в 2021 году.
«К сожалению, мы пока не нашли доказательств существования тёмных фотонов, однако сумели ограничить новые области параметров массы и сил взаимодействия этих частиц. Кроме того, наши выводы могут быть переосмыслены в контексте других моделей, например, включающих аксионоподобные частицы», — поделились исследователи.
Хотя распады тёмных фотонов не были зафиксированы, полученные результаты могут предоставить полезные сведения для дальнейших поисков этих неуловимых частиц. На данный момент учёные рассматривают возможность интегрировать свои открытия с анализом конечных состояний адронов, проводимыми коллегами по коллаборации.
«Наш главный замысел — расширить этот анализ на всю базу данных детектора NA62. Также есть множество других сценариев скрытых секторов, которые может исследовать этот детектор, например, тяжёлые нейтральные лептоны (HNL). Эти лептоны имеют особую значимость, поскольку позволят ответить на актуальные вызовы фундаментальной физики и космологии, в том числе касающиеся природы тёмной материи, асимметрии материи и антиматерии, а также происхождения масс нейтрино. На текущий момент работы завершают комплексное исследование посредников тёмной материи с использованием данных за 2021 год», — резюмировали Клейменова и Гинеску.
Результаты исследования, проведенного NA62, были опубликованы в журнале Physical Review Letters и являются важной вехой в понимании природы тёмной материи. Несмотря на то, что тёмные фотоны не были обнаружены, исследование демонстрирует потенциал детектора NA62 для изучения других гипотетических частиц, связанных с тёмной материей.
Изучение тёмной материи остаётся одним из ключевых направлений современной физики, и коллаборация NA62 занимает лидирующие позиции в этой области.
Источник: iXBT
