Физики охотятся за темными фотонами при помощи обновленного Большого адронного коллайдера

Ученые, работающие над экспериментом Compact Muon Solenoid (CMS) в ЦЕРНе, опубликовали последние данные в своих поисках долгоживущей экзотической частицы, известной как темный фотон.

Темные фотоны (также называемые скрытыми фотонами) отличаются от обычных фотонов — частиц света — тем, что, как считается, они имеют массу, что делает их главным кандидатом на объяснение темной материи. Темная материя — это общий термин для описания кажущейся невидимой материи в космосе, которая была обнаружена только благодаря ее гравитационным эффектам, но никогда не обнаруживалась напрямую, и никто не уверен, чем она на самом деле является.

Физики из CMS пытаются это изменить. Как и частицы, производимые в других экспериментах ЦЕРНа, гипотетические темные фотоны должны образовываться в результате распада другой частицы: бозона Хиггса, предложенного в 1960-х годах и получившего широкую известность после его обнаружения в 2012 году. Считается, что бозоны Хиггса распадаются на темные фотоны, которые затем распадаются на смещенные мюоны. Коллаборация CMS работает над ограничением параметров, при которых может происходить этот процесс.

Большой адронный коллайдер начал свою третью рабочую сессию в июле 2022 года с большей мощностью столкновения частиц. Это означает, что алгоритм эксперимента CMS (или "триггер"), обнаруживающий интересные столкновения, имеет больше событий для просеивания и, следовательно, больше возможностей заметить смещенные мюоны, полученные из темных фотонов.

Мы действительно улучшили нашу способность инициировать срабатывание на смещенных мюонах. Это позволяет нам собирать гораздо больше событий, чем раньше, с мюонами, смещенными от точки столкновения на расстояния от нескольких сотен микрометров до нескольких метров. Благодаря этим улучшениям, если темные фотоны существуют, CMS теперь гораздо более вероятно их найти.

— Джульетт Алимена, один из ученых

Считается, что темные фотоны имеют достаточно продолжительный срок жизни по меркам частиц: они существуют одну десятимиллиардную долю секунды. Несмотря на их "долговечность", их трудно заметить, хотя поиск и продолжается уже много лет. Некоторые ученые ищут темную материю с помощью зеркал, в то время как другие пытаются настроиться на ее частоту с помощью "радио темной материи". В CMS физики пытаются заметить эти частицы по мере их распада на пары мюонов.

Большой адронный коллайдер вскоре будет модернизирован, что усилит возможности CMS. Предстоящий Коллайдер высокой светимости увеличит мощность установки в 10 раз и увеличит количество изучаемых физиками бозонов Хиггса на порядок. Ожидается, что HL-LHC будет готов к эксплуатации к 2029 году. А пока третья рабочая сессия БАК будет продолжаться до 2026 года.