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.
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