ATLAS зондує темну матерію за допомогою бозона Хіггса

Вчені CERN на Великому адронному колайдері намагаються вгледіти перетворення бозона Хіггса на темну матерію.

Бозон Хіггса відіграє вирішальну роль у пошуку темної матерії на Великому адронному колайдері (ВАК), зазначають в Європейській організації з ядерних досліджень (CERN) в своєму прес-релізі.

Фізики зі співробітництва ATLAS на Великому адронному колайдері CERN шукали частинки темної матерії, вишукуючи перетворення бозона Хіггса на частинки, які не можуть бути безпосередньо виявлені експериментом ATLAS («невидимих частинкиок»). Наявність таких частинок у залишках зіткнень створювало б енергетичний дисбаланс із видимими частинками, який можна виміряти. Вчені просіяли повний набір даних із «Запуску 2» ВАК (2015–2018) із близько десяти мільйонів мільярдів (10 у 16 степені) зіткнень протон-протон, шукаючи події, в яких бозон Хіггса вироблявся за допомогою специфічного, добре ідентифікованого процесу (відомого як векторно-бозонний синтез), а потім перетворювався на невиявлені частинки.

Дані не показують надлишок таких характерних подій на тлі очікуваного. ATLAS з 95% рівнем впевненості зробив висновок, що не більше 13% бозонів Хіггса, що виробляються на ВАК, можуть трансформуватися в невидимі частинки. Ці висновки накладають найжорсткіші межі перетворень Хіггса на такі невидимі частинки.

Темна матерія, яка становить близько 85% маси Всесвіту, спостерігається лише опосередковано, шляхом гравітаційних ефектів. Жодних частинок цієї речовини в лабораторії не спостерігалося. Крім того, навіть якщо вони утворюються при зіткненні на ВАК, фізики очікують, що частинки темної матерії уникнуть взаємодії з гігантськими детекторами, розташованими в точках зіткнення (будуть «невидимими» для детектора), з результатом «відсутність енергії» при зіткненні уламків.

Однак, темна матерія має масу, і враховуючи відношення бозона Хіггса до маси, фізики припустили, що частинки темної матерії можуть взаємодіяти з ним: бозон Хіггса міг би перетворитися (або «розпастися») на частинки темної матерії незабаром після утворення при зіткненнях на ВАК. Події зіткнення, при яких Хіггс виробляється через векторно-бозонний синтез, містять додаткові конічні струмені частинок, спрямовані в напрямку передніх областей ATLAS, близько до променевої труби ВАК. У той же час, відсутня енергія, що отримується від окремих частинок, була б орієнтована на вертикальну площину, перпендикулярно променевій трубі. Поєднання цих двох характеристик дає вченим унікальну сигнатуру у пошуках темної матерії.

Хоча жодного перебільшення не спостерігалося, при пошуку були отримані важливі обмеження щодо темної матерії з низькою масою, які доповнюють прямі пошуки темної матерії, здійснені на інших об'єктах. Також, це було важливою демонстрацією нових методик, які вчені застосовують у дослідженнях на ВАК. Виявлений у 2012 році бозон Хіггса швидко перетворився на безцінний засіб пошуку ознак фізики поза Стандартної моделі фізики частинок.

Нагадаємо, у недавньому досліджені вчені запропонували використовувати конденсат Бозе-Ейнштейна для пошуку гіпотетичних акісонів, з яких може складатися темна матерія.

За відкриття бозона Хіггса, якого ще називають «божою частинкою», була присуджена Нобелівська премія.

Експеримент ATLAS призначений для того, щоб скористатися енергією, яка доступна на ВАК, і спостерігати явища, пов'язані з надважкими частинками, які не можна було досліджувати на раніше збудованих прискорювачах з нижчою енергією.