Учёные из коллаборации NA62, международного исследовательского сотрудничества, опубликовали результаты нового поиска тёмных фотонов. Результаты были получены путём анализа данных, собранных детектором NA62 в ЦЕРНе, настроенным в режиме сброса пучка.

Поиски тёмной материи в настоящее время являются одной из горячих тем в сообществе физики высоких энергий. Мы ищем слабо взаимодействующие частицы в различных установках, начиная от экспериментов на ускорителях и заканчивая настольными лабораторными установками. В то время как эксперименты на LHC основаны на высокой энергии столкновения, сталкивая протоны примерно с 14 триллионами электрон-вольт, NA62, будучи экспериментом с фиксированной мишенью, фокусируется на подходе высокой интенсивности с квинтиллионом (1018) протонов на мишени в год. Такая интенсивность создаёт уникальную возможность исследовать различные редкие процессы и выходить за рамки сценариев Стандартной модели.

Алина Клейменова и Стефан Гинеску, участники коллаборации NA62

Тёмные фотоны — это частицы, которые слабо взаимодействуют с обычной материей, что делает их невозможными или очень сложными для обнаружения с помощью обычных экспериментальных методов. Эти частицы являются кандидатами на тёмную материю, которая составляет примерно 85% массы Вселенной. Тёмные фотоны, также называемые A', входят в число гипотетических частиц за пределами Стандартной модели, существование которых может быть исследовано детектором NA62. В частности, они могут связываться с обычной материей, поскольку могут смешиваться с фотонами, описанными Стандартной моделью. Однако связь будет чрезвычайно слабой, что объясняет, почему они до сих пор не были обнаружены.

«Это слабое взаимодействие приводит к длительному времени жизни, то есть в условиях NA62 A' пройдёт расстояние от десятых долей сантиметра до сотен метров, прежде чем распадётся. Теоретически, если тёмный фотон является самой лёгкой частицей тёмной материи и имеет массу ниже примерно 700 МэВ, то он в первую очередь распадётся на лептонные пары, такие как электроны или мюоны. NA62 имеет все необходимые ингредиенты, чтобы увидеть эти сигналы распада, включая очень длинную линию пучка (более 80 м от цели до объёма распада), точные системы отслеживания, синхронизации и идентификации частиц, а также возможность собирать эти данные в почти бесфоновом режиме», — объяснили Клейменова и Гинеску.

Основной целью недавнего исследования, проведённого коллаборацией NA62, было изучение чувствительности детектора NA62 в ЦЕРНе к распадам тёмных фотонов. Анализируя данные, собранные детектором, команда надеялась идентифицировать сигналы, которые могли быть связаны с тёмными фотонами.

«NA62 — это эксперимент с каонами, посвящённый точным измерениям и изучению редких распадов каонов. Эксперимент также может работать в "режиме сброса". В этом режиме мы можем удалить мишень, используемую для каонов, и сбросить пучок протонов 400 ГэВ на поглотитель с интенсивностью, вдвое превышающей обычную», — пояснили авторы.

Теоретические предсказания предполагают, что взаимодействия между протонами и материалом сброса в детекторе NA62 могут производить различные частицы в скрытых секторах светового спектра с массами около 1 ГэВ, включая и тёмные фотоны. Эти частицы затем могут перемещаться и распадаться в инструментальной области эксперимента NA62.

В рамках своего исследования учёные проанализировали выборку данных из 1,4×1017 протонов на сбросе, собранную детектором NA62 в 2021 году.

«К сожалению, мы не нашли доказательств существования тёмных фотонов, но нам удалось исключить новые области в пространстве параметров массы и силы взаимодействия тёмных фотонов. Кроме того, наши результаты можно переосмыслить в рамках других моделей, например, включающих аксионоподобные частицы», — говорят авторы.

Хотя команда пока не обнаружила распады тёмных фотонов, их результаты могут дать информацию для будущих поисков этих неуловимых частиц. Сейчас учёные работают над объединением своих результатов с результатами анализа конечных состояний адронов, проведённого коллаборацией.

«Наша конечная цель — распространить этот анализ на весь набор данных дампа NA62. Кроме того, есть ещё несколько сценариев скрытого сектора, которые может исследовать NA62, например, тяжёлые нейтральные лептоны (HNL). HNL особенно интересны, поскольку они могут решать несколько ключевых проблем в физике элементарных частиц и космологии, таких как происхождение масс нейтрино, асимметрия материи-антиматерии во Вселенной и природа тёмной материи. Текущая работа завершит комплексный поиск медиаторов тёмной материи с использованием данных, собранных NA62 в 2021 году», — заключили Клейменова и Гинеску.

Результаты исследования коллаборации NA62 были опубликованы в журнале Physical Review Letters и представляют собой важный шаг в понимании природы тёмной материи. Хотя обнаружение тёмных фотонов пока не удалось, исследование показало, что детектор NA62 может быть использован для изучения других гипотетических частиц, которые могут быть связаны с тёмной материей.

Исследование темной материи является одной из наиболее актуальных проблем современной физики, а коллаборация NA62 является одной из ведущих групп в этой области.