Пресс-центр

Эксперимент CMS на БАК попытался найти свет от темной материи

Эксперимент CMS, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), представил предварительные результаты поиска новых частиц в канале распада на две адронные струи. Исследован ранее недоступный диапазон малых масс. Пока никаких указаний на проявление Новой Физики (НФ) не обнаружено.

Астрофизические и космологические наблюдения указывают на существование Темной материи – гипотетической формы материи, которая не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним. Однако пока нет ни одного указания на то, как рождались частицы Темной материи, а также каково их место в физике элементарных частиц. Одна из возможностей того, как темная материя может взаимодействовать с обычной заключается в том, что существуют новые частицы-медиаторы, которые взаимодействуют как с темными, так и с обычными частицами. Такие частицы-посредники, могут рождаться на БАК при взаимодействии протонов высоких энергий.

В таком подходе Темная материя не может взаимодействовать с веществом детектора, а вот частицы-медиаторы могут испытывать переходы (распадаться) обратные тем, благодаря которым они появились. Например, если механизм рождения – аннигиляция кварка и антикварка, то такая частица НФ может распасться обратно на пару кварк-антикварк. Кварки нельзя получить в свободном состоянии (вследствие конфайнмента): они почти мгновенно образуют пучки частиц – адронные струи, которые и регистрируют детекторы БАК.

Исследования по поиску НФ в событиях с двумя струями проводились на всех коллайдерах, начиная с 90-х годов прошлого века. Фактически, поиски частиц-медиаторов (можно обобщить как поиск новых Z’ частиц) пока не дали положительных результатов, а лишь установили верхние пределы на интенсивность их рождения. Причем эти пределы были установлены для масс Z’ в диапазоне от 50 ГэВ до 5 ТэВ, оставляя таким образом теоретическую возможность их существования в диапазоне нескольких десятков гигаэлектронвольт. Трудность исследования этого диапазона масс связана с тем, что из-за высоких интенсивностей рождения частиц на адронных коллайдерах не все экспериментальные события могут быть записаны для дальнейшей обработки. Системы онлайн-отбора (триггер) позволяют отобрать из 40 миллионов взаимодействий протонов, ежесекундно проходящих на БАК, несколько сотен самых интересных и перспективных событий. Чем больше энергия и частота столкновений, тем выше энергетические пороги отбора адронных струй. Частицы Z’ с массами меньше чем 50 ГэВ просто не могли бы наблюдаться, так как не рождают струи, подходящие под эти условия.

Физики-экспериментаторы на БАК постоянно пытаются «прорваться» в еще неисследованные массовые диапазоны. Парадоксально, но для поиска частиц Темной материи можно использовать свет, рождаемый протонами БАК. В новой экспериментальной работе CMS, предварительные результаты которой были представлены на прошлой неделе, физикам удалось исследовать этот диапазон масс Z’, отобрав события, в которых один из протонов испустил фотон ещё до своего взаимодействия с другим протоном. Такие фотоны из начального состояний могут обладать довольно высокой энергией, а пороги для фотонов ниже, чем пороги для адронных струй. В новой работе CMS исследовались события содержащие фотоны с поперечными энергиями выше 200 ГэВ, что намного ниже по величине условий отбора событий по адронным струям.

Из-за закона сохранения импульса гипотетические Z’ частицы, рожденные в событиях с таким фотонами, сами обладают большой энергией. Это приводит к тому, что две струи, на которые они распадаются, могут быть трудноразличимы (сливаться в одну струю, см. рисунок 1). Для того чтобы понять, что это не одна струя, а две, нужно исследовать её внутреннюю структуру – распределение адронов внутри струи. Именно такого рода исследования позволяют отделить сигнал распадов Z’ частиц, сильно подавив фоновые сигналы, неизбежно возникающие в Стандартной Модели (СМ).

Немного фоновых событий всё же остаются, однако они «размазаны» по всему диапазону исследования, в то время как Z’ должны проявлять себя как пики на фоне широкого фонового распределения. Поиск таких пиковых структур позволяет установить пределы на вероятности рождения Z’ с массами от 10 до 50 ГэВ (см. рисунок 2). Как и многие исследования физики частиц, эта работа CMS выполнена при помощи слепого метода анализа данных (blind analysis). Суть этого метода заключается в оптимизации критериев отбора без обращения к экспериментальным данным в интересующем диапазоне, а затем, когда метод зафиксирован, проводятся исследования массового спектра.

В представленном CMS анализе данных, новых легких Z’ частиц обнаружено не было. Пока обработаны не все данные Run 2, но эти представленные исследования позволяют наложить ограничения на параметры физических моделей, а значит и на сценарии появления Темной матери во Вселенной.

В заключении следует отметить, что сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ принимают активное участие в работе эксперимента CMS на БАК, внося, таким образом, свой вклад в возможность проведения этих экспериментальных работ.