Реклама Google — средство выживания форумов :)
У теоретиков были основания полагать, что тёмная материя обнаруживает своё присутствие не только посредством гравитационной силы. В частности, гипотеза о лёгкой тёмной частице, иногда возникающей в электромагнитных процессах, была выдвинута в начале 80-х Львом Окунем. В последнее время в связи с «закрытием» Стандартной модели интерес к подобным экзотическим частицам значительно возрос, — поясняет Ренат Дусаев, учёный из Томска. Он один из участников эксперимента по поиску частицы под названием тёмный фотон.
Этот термин предложили в 2008 году американские астрофизики Лотти Акерман, Мэттью Бакли, Шон Кэрролл и Марк Камионковски. «Представим, что есть совершенно новый вид фотонов, который соединён с тёмной, а не с обычной материей. Таким образом, могут быть тёмные электрические поля, тёмные магнитные поля, тёмное излучение и так далее», — писали они.
— По аналогии с нашим электромагнетизмом, для которого безмассовый фотон является переносчиком сил между заряженными частицами, может также существовать и тёмный электромагнетизм, переносимый массивным скрытым, или тёмным, фотоном. На мой взгляд, «скрытый фотон» звучит лучше, чем «тёмный»: меньше путаницы, — объясняет Сергей Гниненко.
В отличие от обычного фотона, тёмный может обладать массой. Какой именно, пока сказать нельзя. Предполагается также, что он может распадаться на другие частицы. И главное, есть вероятность, что тёмный фотон способен взаимодействовать с частицами обычной материи. Назревает сенсация. Она может произойти в рамках эксперимента с не слишком романтичным названием NA64.
Этот проект разработали учёные из Института ядерной физики РАН (Москва) и Института физики высоких энергий (Протвино). В марте 2016 года его одобрила Европейская организация по ядерным исследованиям — CERN (да-да, та самая, что построила Большой адронный коллайдер). Это довольно редкий случай, когда CERN включает в свою исследовательскую программу эксперимент, предложенный российскими учёными; за всю историю такое случалось всего несколько раз. Для поисков тёмного фотона был предоставлен ускоритель SPS.
— Если масса тёмного фотона небольшая — от одного до тысячи электронвольт или даже меньше, то могут возникать осцилляции между нашим фотоном и тёмным, аналогичные осцилляциям нейтрино. При массе, скажем, больше 1 МэВ он может распадаться на обычные частицы, например электрон-позитронные пары. Такие распады можно зарегистрировать. Есть, конечно, вероятность, что тёмный фотон предпочитает распадаться на «свои» частицы из скрытого сектора, которые как раз и являются основой тёмной материи. И тут возникает нетривиальная задача — экспериментально обнаружить невидимый распад невидимой частицы. Звучит дико, но это так, — признаёт Гниненко.
— Если скрытые фотоны существуют, они могли бы рождаться в реакции рассеяния электронов высокой энергии в активной мишени полного поглощения. А происходило бы это благодаря квантовому эффекту смешивания с обычным фотоном тормозного излучения, испускаемого электронами в поле ядра. Так как тёмные фотоны очень слабо взаимодействуют с обычным веществом, они проникали бы через мишень и уносили из детектора существенную часть энергии пучка. Указанием на существование тёмных фотонов стало бы обнаружение событий с большой, более 50%, недостающей энергией. Такие события крайне редки. Их доля составляет меньше 1:100 000 000 000 на одно стандартное взаимодействие электрона в мишени, — объясняет Сергей Гниненко.
Грубо говоря, если из закрытой системы часть энергии исчезает, значит, её похитил именно тёмный фотон.
— Это называется beam-dump — герметичный эксперимент. Первоначальный пучок частиц вбрасывается в установку, где происходит поглощение всей энергии, фиксируемой детектором. Образование тёмных частиц оставляет довольно специфический след, по которому и можно определить, что мы столкнулись с физикой за пределами Стандартной модели, — заключает Ренат Дусаев.
Эксперимент NA64 проходит в несколько этапов. Первый завершился этой весной.
— Фактически мы только начали поиски тёмного фотона и других кандидатов на роль элементов тёмной материи, — уточняет Сергей Гниненко.
Полученные результаты позволили исключить массы частицы, при которых тёмный фотон искать не следует. Зона поиска сузилась примерно на 25%. Это неплохо.
Следующая стадия эксперимента начнётся в сентябре. Российские учёные планируют поработать в CERN пять недель — больше пока не получается: ускоритель загружен другими проектами. Впрочем, сейчас ведутся переговоры, и если они увенчаются успехом, искать тёмную материю будут в режиме нон-стоп — круглогодично.
Это не единственный эксперимент такого рода — в мире проводится несколько аналогичных. Например, есть международный проект BaBar, в котором участвуют около четырёхсот физиков из разных стран, включая Россию. Эксперименты по поиску тёмных фотонов проходят на базе Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США).
— На ваш взгляд, что такое тёмная материя и где её можно обнаружить?
— В целом мы прекрасно понимаем, что собой представляет тёмная материя. А встречается она прежде всего в звёздных скоплениях — там, где галактики. Концентрируется вблизи центра этих космических объектов. Кроме того, если наши последние расчёты верны, тёмная материя может проявляться и в малых масштабах. Например, в виде дисков наподобие тех, что мы уже обнаружили в Млечном Пути.