Эксперимент NA64 в ЦЕРН: десятилетие поисков темной материи
Эксперимент NA64 в ЦЕРНе с 2016 года занимается поиском темной материи, отслеживая энергию, которая теряется при столкновении частиц с детектором.
В физике элементарных частиц энергия никогда не теряется. При столкновении или распаде частиц вся исходная энергия, которую они несут, должна сохраняться в образующихся продуктах, и ее недостаток сигнализирует о том, что что-то ускользнуло незамеченным. Именно недостающая энергия при радиоактивных распадах привела Вольфганга Паули к предложению о существовании нейтрино в 1930 году — частицы настолько неуловимой, что она ускользала от обнаружения в течение четверти века.
Фото установки NA64 (изображение ЦЕРН)
Аналогичные подходы сейчас используются в поисках физики за пределами Стандартной модели. Например, свидетельства, начиная от послесвечения Большого взрыва и заканчивая тем, как формировались и группировались галактики, указывают на то, что около 85% материи во Вселенной не излучает свет, проявляя себя только через гравитацию. В течение десятилетий ведущим кандидатом на роль этой темной материи была новая тяжелая частица, примерно в сто раз массивнее протона. В поисках этой частицы проводились всё более чувствительные эксперименты. Пока безрезультатно.
Однако отсутствие сигнала может просто указывать на то, что тёмная материя легче и взаимодействует слабее, чем предполагалось изначально. Частица такого рода могла бы естественным образом вписаться в более широкий тёмный сектор — скрытое семейство новых частиц и сил, контактирующих с известной материей лишь посредством нескольких слабых взаимодействий. Эти взаимодействия в редких случаях позволили бы столкновениям обычных частиц производить частицы тёмной материи.
Именно такие частицы тёмной материи NA64 искал последние десять лет. Эксперимент расположен в Северном районе ЦЕРН, где протоны с энергией 400 ГэВ из Суперпротонного синхротрона попадают на мишень из бериллия, создавая поток вторичных частиц, которые сортируются на разные пучки. Затем выбирается необходимый тип пучка, который направляется к NA64. На пути к детектору энергия каждой частицы точно измеряется. Если энергия, зарегистрированная после взаимодействия, оказывается меньше энергии входящей частицы, то эта разница должна быть унесена чем-то невидимым для детектора. Возможно, частицей темной материи.
На протяжении большей части работы эксперимента зондами были электроны, и их столкновения не выявили недостающей энергии сверх того, что могут объяснить известные процессы. Однако измерения установили верхний предел силы связи между темным сектором и обычной материей, который определяет, как часто должны были образовываться частицы темной материи. Для некоторых из самых легких кандидатов ни один другой эксперимент не смог продвинуться дальше этого предела. С тех пор программа расширилась за пределы электронов, включив в себя позитроны (антиматеричные партнеры электронов), мюоны (их более тяжелые аналоги) и адроны для проверки различных моделей темной материи.
Поскольку частицы темной материи образуются лишь изредка, следующим шагом в этом направлении является увеличение числа столкновений. В ходе третьего длительного простоя ускорительного комплекса ЦЕРН коллаборация NA64 модернизирует свое оборудование для работы с более интенсивными пучками, обеспечивая при этом, чтобы никакая обычная энергия не просачивалась незамеченной и не имитировала сигнал. Ожидается, что после этого объем данных увеличится на два порядка, чего будет достаточно для проверки широкого спектра сценариев существования легкой темной материи.