Крупнейший в мире атомный разрушитель может потерять свою темную материю. Но физики получают более четкое представление о том, как может выглядеть эта потерянная темная материя - если она вообще существует.
ATLAS, детектор очень крупных частиц на Большом адронном коллайдере (LHC) в Женеве, наиболее известен тем, что обнаружил бозон Хиггса еще в 2012 году. Теперь он перешел к поиску еще более экзотических частиц, в том числе теоретических суперсимметричных. «частицы, или частицы-партнеры для всех известных частиц во вселенной.
Если суперсимметрия реальна, некоторые из этих частиц могут объяснить невидимое темное вещество, распространяющееся по нашей вселенной. Теперь пара результатов, представленных на конференции, посвященной ATLAS в марте, предложила самое точное описание того, как эти гипотетические частицы должны выглядеть.
Невидимая материя
Давайте вернемся.
Темная материя - это невидимое вещество, которое может составлять большую часть вселенной. Есть ряд причин подозревать, что он существует, хотя никто не может его увидеть. Но вот самый очевидный: галактики существуют.
Оглядываясь вокруг нашей вселенной, исследователи могут видеть, что галактики не кажутся достаточно массивными, чтобы связать себя с гравитацией их видимых звезд и другой обычной материи. Если бы все, что мы могли видеть, было всем, что есть, эти галактики разошлись бы. Это говорит о том, что некоторая невидимая темная материя сгруппирована в галактиках и удерживает их вместе со своей гравитацией.
Но ни одна из известных частиц не может объяснить космическую сеть галактик. Поэтому большинство физиков предполагают, что есть что-то еще, какая-то частица (или частицы), которую мы никогда не видели, которая составляет всю эту темную материю.
Физики-экспериментаторы создали много детекторов, чтобы охотиться на них.
Эти эксперименты работают по-разному, но, по сути, многие сводятся к тому, чтобы поместить большой кусок материала в очень темную комнату и очень внимательно его наблюдать. В конце концов, теория гласит, что какая-то частица темной материи попадет в большой кусок материала и заставит его блестеть. И в зависимости от природы вещества и блеска физики узнают, как выглядит частица темной материи.
ATLAS использует противоположный подход, ища частицы темной материи в одном из самых ярких мест на Земле. LHC - очень большая машина, которая разбивает частицы вместе на невероятно высоких скоростях. В его милях труб находится своего рода непрерывный взрыв новых частиц, образовавшихся в результате этих столкновений. Когда ATLAS обнаружил бозон Хиггса, он увидел группу бозонов Хиггса, которые были фактически созданы LHC.
Некоторые теоретики считают, что БАК может также создавать особые виды частиц темной материи: суперсимметричные партнеры известных частиц. Слово «суперсимметрия» относится к теории, согласно которой многие из известных в физике частиц имеют неизвестных «партнеров», которых гораздо труднее обнаружить. Эта теория не была доказана, но если бы она была правдой, это упростило бы многие беспорядочные уравнения, которые в настоящее время регулируют физику элементарных частиц.
Также возможно, что суперсимметричные частицы с правильными свойствами могут составлять часть или всю отсутствующую темную материю во вселенной. И если они сделаны на LHC, ATLAS сможет доказать это.
Охота за суперсимметричными частицами
Но есть проблема. Физики все больше убеждаются в том, что если эти суперсимметричные частицы производятся на LHC, они вылетают из детектора, а затем распадаются. Это проблема, как ранее сообщалось в «Живой науке», поскольку ATLAS непосредственно не обнаруживает экзотические суперсимметричные частицы, а вместо этого видит более распространенные частицы, в которые суперсимметричные частицы превращаются после того, как они распадаются… Если суперсимметричные частицы выпадают из LHC перед распадом, тем не менее, ATLAS не может увидеть эту подпись, поэтому ее исследователи придумали творческую альтернативу: охотиться, используя статистику по миллионам столкновений частиц на LHC, для доказательства того, что чего-то не хватает.
«Их присутствие можно определить только по величине отсутствующего поперечного импульса столкновения», - говорится в заявлении исследователей.
Точное измерение недостающего импульса - сложная задача.
«В плотной среде многочисленных перекрывающихся столкновений, создаваемых LHC, может быть трудно отделить подлинный импульс от поддельного», - говорят исследователи…
Пока что эта охота ничего не дала. Но это полезная информация. Всякий раз, когда конкретный эксперимент с темной материей терпит неудачу, он предоставляет исследователям информацию о том, на что не похожа темная материя. Физики называют этот процесс сужения «сдерживанием» темной материи.
Эти два мартовских результата, основанные на этом статистическом поиске пропущенного импульса, показывают, что если определенные суперсимметричные кандидаты в темную материю (так называемые чаржино, слептоны и суперсимметричные нижние кварки) существуют, они должны иметь особые характеристики, которые ATLAS еще не исключил.
Если современные модели суперсимметрии верны, пара чарджино должна быть как минимум в 447 раз больше массы протона, а пара слептонов должна быть как минимум в 746 раз больше массы протона.
Точно так же, исходя из современных моделей, суперсимметричный нижний кварк должен быть как минимум в 1545 раз больше массы протона.
ATLAS уже закончил охоту на более легкие чарджино, сплитоны и нижние кварки. И исследователи сказали, что они на 95% уверены, что их не существует.
В некоторых отношениях охота на темную материю, кажется, постоянно дает нулевые результаты, что может разочаровать. Но эти физики остаются оптимистами.
Эти результаты, говорится в заявлении, «накладывают жесткие ограничения на важные суперсимметричные сценарии, которые будут определять будущие поиски ATLAS».
В результате в ATLAS появился новый метод охоты на темную материю и суперсимметрию. Просто еще не удалось найти темную материю или суперсимметрию.
