Существование темной материи — давняя загадка нашей Вселенной. Темная материя составляет около четверти нашей Вселенной, но она не взаимодействует существенно с обычной материей. Существование темной материи было подтверждено серией астрофизических и космологических наблюдений, в том числе потрясающими недавними снимками, полученными космическим телескопом Джеймса Уэбба. Однако на сегодняшний день ни об одном экспериментальном наблюдении темной материи не сообщалось. Существование темной материи было вопросом, который астрофизики всего мира исследовали на протяжении десятилетий. «Это причина, по которой мы проводим исследования в области фундаментальной науки, исследуя глубочайшие загадки Вселенной. Большой адронный коллайдер в ЦЕРН является крупнейшим экспериментом, когда-либо построенным, и столкновения частиц, создающие условия, подобные Большому взрыву, можно использовать для поиска намеков на существование темная материя», — говорит профессор Дипак Кар из Школы физики Университета Витватерсранда в Йоханнесбурге, Южная Африка.
Работая над экспериментом ATLAS в ЦЕРН, Кар и его бывший доктор философии. Студент Суканья Синха (ныне научный сотрудник Манчестерского университета) разработал новый способ поиска темной материи. Их исследование было опубликовано в журнале Physics Letters B. «За последние несколько десятилетий на коллайдерах было проведено множество поисков темной материи, которые были сосредоточены на слабо взаимодействующих массивных частицах, называемых вимпами», — говорит Кар. «ВИМПС — это один из классов частиц, который, как предполагается, объясняет темную материю, поскольку они не поглощают и не излучают свет и не взаимодействуют сильно с другими частицами. Однако, поскольку никаких доказательств существования вимпсов до сих пор обнаружено не было, мы поняли, что поиск темной материи потребовал смены парадигмы». «Что нас интересовало, так это то, действительно ли частицы темной материи рождаются внутри струи частиц стандартной модели», — сказал Кар.
Это привело к исследованию нового признака детектора, известного как полувидимые струи, который также искался коллаборацией CMS в JHEP 2206 (2022) 156 в другом режиме производства. Столкновения протонов при высоких энергиях часто приводят к образованию коллимированных брызг частиц, собранных в так называемые струи, в результате распада обычных кварков или глюонов. Полувидимые струи возникнут, когда гипотетические темные кварки частично распадаются на кварки стандартной модели (известные частицы) и частично на стабильные темные адроны («невидимая фракция»). Поскольку они производятся парами, обычно вместе с дополнительными струями стандартной модели, дисбаланс энергии или недостающая энергия в детекторе возникает, когда все струи не полностью сбалансированы. Направление недостающей энергии часто совпадает с одной из полувидимых струй. Это делает поиск полувидимых струй очень сложным, поскольку эта сигнатура события также может возникнуть из-за неправильного измерения струй в детекторе. Новый способ поиска темной материи, предложенный Каром и Синхой, открывает новые направления в поисках существования темной материи. «Хотя моя докторская диссертация не содержит открытия темной материи, она устанавливает первые и довольно строгие верхние границы этого способа производства и уже вдохновляет на дальнейшие исследования», — говорит Синха.
