Tweeter button Facebook button Youtube button

Коллайдерные подходы к частицам темной материи

17/02/2017
By

Объяснение природы темной материи остается одной из главных задач физики элементарных частиц. Физики уже придумали сотни теорий за пределами Стандартной модели, которые включают в себя частицы-кандидаты в темную материю. Но до сих пор совершенно неясно, какая из них относится к нашему миру. К счастью, практически у всех этих теорий есть важное свойство: их можно проверять тремя взаимодополняющими способами (рис. 1). Во-первых, это аннигиляция частиц темной материи в обычные частицы, — либо в горячей ранней Вселенной, либо сейчас, в местах скопления темной материи. Во-вторых, это их рассеяние на обычном веществе: именно такой процесс пытаются зарегистрировать детекторы темной материи. В-третьих, это парное рождение частиц темной материи на коллайдерах в столкновении обычных частиц, — и вот здесь как раз возникает множество возможностей.

Рис. 1. Три типа процессов, чувствительных к взаимодействию гипотетических массивных частиц темной материи (D) с обычным веществом (SM): аннигиляция (слева), рассеяние (в центре), и рождение частиц темной материи на коллайдерах (справа)

Рис. 1. Три типа процессов, чувствительных к взаимодействию гипотетических массивных частиц темной материи (D) с обычным веществом (SM): аннигиляция (слева), рассеяние (в центре), и рождение частиц темной материи на коллайдерах (справа)

В ситуации, когда многочисленные эксперименты по детектированию частиц темной материи не приносят положительного результата, теоретики ищут новые способы косвенно заметить их проявление в экспериментах на Большом адронном коллайдере. Мы уже рассказывали про поиски суперсимметрии, в которых частицы темной материи играют важнейшую роль, — они уносят энергию и создают дисбаланс поперечного импульса в детекторе (см. рис. 3 из новости Поиски суперсимметрии на коллайдере принесли новую интригу), — а также про попытки зарегистрировать «невидимый» распад бозона Хиггса (Невидимые распады бозона Хиггса пока не замечены). Эти и другие подобные поиски пока не увенчались успехом. Однако теоретики продолжают изыскивать новые возможности для того, чтобы заметить наличие «темного сектора Вселенной» на Большом адронном коллайдере.

Здесь уместно напомнить о том, что темная материя может оказаться сложно устроенной гранью нашего мира. Она может представлять собой не один-единственный тип частиц, а целый «темный мир», со своими взаимодействиями и частицами разных масс. В зависимости от того, как именно устроено взаимодействие внутри темного сектора и что связывает его с обычными частицами, могут возникать новые способы протестировать такие модели на коллайдере. На днях в архиве препринтов вышли две показательные статьи, которые предлагают взглянуть на коллайдерные поиски темной материи с новых сторон.

В статье Hunting the dark Higgs (arXiv:1701.08780) изучается ситуация, когда частицы темной материи приобретают массу за счет темного же хиггсовского механизма. В этой теории возникает, в дополнение к темной материи, новое «темное взаимодействие» с довольно тяжелой частицей-переносчиком Z' и темный хиггсовский бозон s. Темный бозон Хиггса может быть довольно легким, легче, чем частица темной материи, но при этом нестабильным. Он может слегка смешиваться с обычным бозоном Хиггса и, как следствие, распадаться на обычные кварковые пары.

Рис. 2. Процесс рождения пары частиц темной материи, в ходе которого излучается легкий «темный» бозон Хиггса, который затем распадается на обычную пару b-кварков. Рисунок из статьи M. Duerr et al., 2017. Hunting the dark Higgs

Рис. 2. Процесс рождения пары частиц темной материи, в ходе которого излучается легкий «темный» бозон Хиггса, который затем распадается на обычную пару b-кварков. Рисунок из статьи M. Duerr et al., 2017. Hunting the dark Higgs

В рамках такой теории становится возможным процесс, показанный на рис. 2. В столкновении кварков рождается тяжелая частица-переносчик Z', которая тут же разваливается на пару частиц темной материи. Эти частицы невидимы для детектора и уносят поперечный импульс. Однако в ходе разлета они могут излучить легкий «темный» бозон Хиггса, который распадется на обычные частицы. Этот процесс может быть вполне интенсивным: в отличие от упрощенных моделей темной материи, здесь нет жестких ограничений на его вероятности из космологических данных. Детектор тогда увидит сильный дисбаланс поперечного импульса, поскольку пара b-анти-b полетит в одну сторону. В рамках Стандартной модели такие процессы очень редки, поэтому здесь есть шанс «поймать за руку» темную материю.

В принципе, на LHC уже изучались процессы с рождением одиночных адронных струй с дисбалансом поперечного импульса. Но если это обычная адронная струя, то такой процесс может легко происходить в Стандартной модели. Тут же речь идет про излучение двух b-струй, которые сливаются в одну «широкую» струю, — и вот для такого процесса фон уже намного ниже.

В другой статье Dark sectors and enhanced h→τμ transitions (arXiv:1701.08767) предлагается новая интерпретация одной из «загадок коллайдера» — распада бозона Хиггса на мюон и тау. Вместо распада H→μτ с нарушением «лептонного аромата», авторы делают предположение, что перед нами — распад H→μτφ, где φ — это новая частица из темного сектора, распадающаяся на частицы темной материи. Важный момент: в этой модели нет нарушения лептонного аромата, поскольку невидимая частица φ тоже обладает им как раз в нужной пропорции. Частицы темной материи в этой модели тоже несут в себе «память» о лептонном аромате, но только они являются стабильными и ни в электромагнитных, ни в обычных слабых взаимодействиях не участвуют. Авторы работы показали, как эту модель можно протестировать с помощью кинематических распределений мюона и тау-лептона.

Конечно, литература последнего месяца по этой теме не исчерпывается этими двумя статьями. Сейчас каждую неделю в архиве препринтов появляется по несколько теоретических статей с разными предложениями по поиску частиц темной материи и косвенной проверке этих моделей. В качестве иллюстрации упомянем только ряд февральских работ: проверка на LHC темного сектора, связанного только с лептонами (arXiv:1702.00016), космологические последствия для частиц темной материи, образующей связанные состояния (arXiv:1702.01141), целых две статьи про гравитационные волны, излученные в эпоху сильного фазового перехода внутри темного сектора (arXiv:1702.02698 и arXiv:1702.02117), очередные варианты Новой физики, включающие и частицы темной материи (arXiv:1702.02924, arXiv:1702.02949, arXiv:1702.04000), и, наконец, обзорная статья, посвященная поискам темной материи на LHC (arXiv:1702.02430). Без сомнения, изучение сложно устроенных темных секторов стало довольно активной ветвью в поле деятельности, связанном с поиском подходящих теорий за пределами Стандартной модели.

Источник Элементы

Tags: , , , , , , , ,

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *

amplifier for 8 speakers
Алёна Петрова

ПОПУЛЯРНЫЕ

Июнь 2017
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
« Май    
 1234
567891011
12131415161718
19202122232425
2627282930  
В началоВ начало
sonos multi-room music system zonebridge br100 sonos multi room music system zoneplayer zp120 + zp90 sonos multi-room music system zone bridge br100 box multi room speaker system airplay apple multi room speaker system