Теперь, когда ученые нашли бозон Хиггса, Большой адронный коллайдер будет искать еще более неуловимую цель: темную материю. Нас окружают темная материя и темная энергия — невидимые субстанции, которые связывают галактики, но никак себя не выдают. В новой работе излагается инновационный метод поиска темной материи силами Большого адронного коллайдера за счет эксплуатации относительно медленной скорости потенциальной частицы.

Темный мир темной материи

«Мы знаем наверняка, что существует темный мир и в нем больше энергии, чем в нашем», говорит Лянь-Тао Вонг, профессор физики Чикагского университета, исследующий поиск сигналов в больших ускорителях частиц вроде БАК. Работа была опубликована в Physical Review Letters.

Хотя темный мир составляет больше 95% Вселенной, ученые знают о его существовании только по эффектам, которые он оказывает — вроде полтергейста, который видно только если что-то сдвигается на полке или когда моргает свет. Например, мы знаем о существовании темной материи, потому что видим ее гравитационное воздействие — она помогает нашим галактикам не разлетаться на части.

Теоретики полагают, что есть один особенный вид темной частицы, которая может периодически взаимодействовать с обычным веществом. Она будет тяжелее и существовать будет дольше других известных частиц — до одной десятой секунды. По мнению ученых, несколько раз в десятилетие такая частица может попасться в столкновениях протонов на БАК, которые происходят и измеряются постоянно.

«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 в темный мир», говорит Вонг, имея в виду последнюю обнаруженную физиками частицу в великой теории работы Вселенной. Бозон Хиггса обнаружили на БАК в 2012 году. «Возможно, Хиггс действительно может распадаться на эти долгоживущие частицы».

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

Ученые предложили новый способ поиска, использующий один конкретный аспект такой темной частицы. «Если она настолько тяжелая, ее производство требует затрат энергии, поэтому импульс не будет большим — она будет двигаться медленнее скорости света», говорит Цзя Лю, первый автор исследования.

Эта временная задержка выделит ее на фоне остальных частиц. Ученым понадобится лишь подправить систему для поиска производимых частиц. Разница лежит в пределах наносекунды — одной миллиардной доли секунды — или меньше. Но БАК уже обладает достаточно хитроумными детекторами, чтобы уловить эту разницу; недавнее исследование с использованием данных, собранных в ходе последнего пуска коллайдера, показало, что этот метод должен работать, плюс детекторы станут еще чувствительнее после грядущей модернизации.

«Мы ожидаем, что этот метод увеличит нашу чувствительность к долгоживущим темным частицам на несколько порядков — при этом используя те возможности, которые уже имеются у БАК», говорит Лю. Экспериментаторы уже работают над созданием ловушки. Когда БАК снова включится в 2021 году, после увеличения светимости в 10 раз, все три основных детектора будет оснащены новой системой.

«Мы думаем, что есть большой потенциал для открытия. Если частица есть, у нас будет способ ее извлечь».