Физики переосмысливают как использовать Большой адронный коллайдер для поиска темной материи.
В то время как космологи могут быть очарованы тем, что делает темная материя, физики частиц очарованы тем, что такое темная материя. Для нас темная материя должна быть естественной - это частица, хотя она все еще скрыта в наших данных. В течение последних нескольких десятилетий у нас была манящая догадка, что эта частица может быть самой легкой из нового класса суперсимметричных частиц. Суперсимметрия является расширением Стандартной модели частиц и сил, которая прекрасно решает затяжные вопросы о стабильности массы бозона Хиггса, об объединении сил и о природе частиц темной материи. Фактически, суперсимметрия предсказывает огромное количество новых частиц - по одной для каждой частицы, о которой мы уже знаем. И всё же, хотя одна из этих новых частиц может составлять тёмную материю, для многих из нас это было бы всего лишь счастливым побочным продуктом.
Но после анализа данных первого (2010-2012) и второго (2015-2018) прогонов Большого адронного коллайдера (LHC) мы еще не нашли суперсимметричных частиц, вообще никаких новых частиц, за пределами бозона Хиггса. Поэтому, продолжая охоту за суперсимметрией, мы также по-новому смотрим на то, что наши коллеги-космологи могут рассказать нам о темной материи. В конце концов, это самое сильное экспериментальное доказательство новой физики за пределами Стандартной модели.
На самом деле, некоторые могут сказать, что основной целью Большого адронного коллайдера и будущих коллайдеров будет создание и изучение темной материи. Для того, чтобы это случилось, должны быть средства для видимой вселенной и темной вселенной, чтобы общаться друг с другом. Другими словами, составные частицы, с которыми мы сталкиваемся, должны быть способны взаимодействовать с предполагаемыми частицами темной материи через фундаментальные силы. Сила требует силового носителя, или бозона. Электромагнитная сила переносится фотоном, слабая ядерная сила - так называемыми векторными бозонами и так далее. Взаимодействия между темной материей и нормальной материей не должны отличаться: они могут происходить при обмене темными бозонами.
Даже если наши детекторы забывают о самих темных бозонах, у нас есть некоторая надежда опознать их, если они имеют какое-то крошечное взаимодействие с наблюдаемыми частицами - другими словами, если они не совсем темные. Учитывая, насколько слабыми были бы эти взаимодействия, Большой адронный коллайдер мог бы уже производить эти частицы, и мы просто еще не смогли их заметить.
После того, как он был создан на Большом адронном коллайдере при столкновении двух протонов, темный бозон может распасться на частицы темной материи, которые ускользнут от наших детекторов, не оставив ни следа. Но мы могли бы определить их присутствие, сложив все частицы, которые мы наблюдали, и искать дисбаланс импульса, указывающий на то, что чего-то не хватает. Или же темные бозоны могли бы распадаться на обычные частицы, такие как кварки, и оставлять четкие закономерности в наших данных. Мы могли бы провести некоторую криминалистическую экспертизу частиц, чтобы сделать вывод о свойствах невидимых бозонов. Это как раз та работа, для которой были разработаны детекторы Большого адронного коллайдера, и мы постоянно прочёсываем наши данные с коллайдера на предмет этих сигналов.
Выполняя таким образом поиск по темному бозону, мы, однако, сделали одно предположение, которое может оказаться необоснованным: что темный бозон мгновенно распадается. А если нет? Темная вселенная, для того чтобы быть темной, должна быть изолирована от нормальной вселенной в некотором роде. Это может привести к тому, что темные бозоны выживут за короткий промежуток времени, но измеряемый момент, прежде чем распадется обратно в нормальную материю. Обломки, образовавшиеся в результате распада, в наших экспериментах не появятся в месте столкновения двух протонов, а будут смещены на некоторое значительное расстояние.
Эксперименты на Большом адронном коллайдере были разработаны для поиска частиц, происходящих из точки взаимодействия. Отслеживание траекторий долгоживущих частиц (темных или нет) затруднено несколькими факторами. Они состояли бы из меньшего количества измерений, что затрудняло бы соединение точек; они следовали бы по нетипичным геометрическим траекториям, что еще больше затрудняло бы работу наших алгоритмов распознавания образов; они могли бы выдавать сигналы, которые поступали бы гораздо позже, чем предполагают обычные алгоритмы.
Но это как раз тот вызов, который принимают физики. Оживляя трюки десятилетней давности и изобретая совершенно новые методы, мы модифицировали наши алгоритмы, чтобы они были чувствительны к этим нетипичным шаблонам частиц. Мы думаем, что теперь мы можем обнаружить темные бозоны, которые распадаются на расстоянии до нескольких метров от места происхождения, что охватывает наиболее правдоподобные сценарии. Почти неважно, во что распадается темный бозон, до тех пор, пока частицы нормальной материи, которые наши детекторы будут регистрировать, окажутся в обломках.
До сих пор мы ничего не нашли в данных первого, низкоэнергетического пробега Большого адронного коллайдера. Но мы все еще работаем над данными второго, более высокоэнергетического пробега. С добавлением этих методик в суперсимметричные поиски, которые были до этого, у нас появился прекрасный шанс обнаружить темную материю, темную силу или и то, и другое. Учитывая, что до сих пор она давала только 1 процент от общего количества данных, которые она в конечном итоге будет производить, поиск темных частиц на Большом адронном коллайдере действительно только начался.