Частицы, похожие на аксионы, главный кандидат на темную материю, который долгое время ускользал от обнаружения, возможно, уже были созданы в коллайдерах частиц — и остались скрытыми в данных.
Детектор ALICE на Большом адронном коллайдере ксенотар/Getty Images
Физики десятилетиями ищут гипотетические частицы, называемые аксионами, поскольку они являются основным кандидатом на роль составляющих тёмной материи. Но, возможно, нам не понадобятся новые эксперименты для обнаружения экзотических частиц, похожих на аксионы — свидетельства их существования могут скрываться в данных, полученных в ходе уже проведённых экспериментов на коллайдерах частиц.
Коллайдеры частиц, такие как Большой адронный коллайдер (БАК) в лаборатории физики элементарных частиц ЦЕРН недалеко от Женевы, Швейцария, открывают новые частицы, ускоряя их и сталкивая с другими, уже хорошо изученными нами частицами, такими как протоны и ионы, а затем анализируя образующиеся осколки. Густаво Жил да Силвейра из ЦЕРН и его коллеги рассмотрели другую возможность: если бы протон или ион испустил новую частицу в результате ускорения на пути к разбиению на куски, смогли бы мы это определить? Их анализ показывает, что иногда это возможно.
Теория об аксионах впервые была выдвинута в 1970-х годах в рамках решения одной из крупнейших проблем физики: объяснения того, почему материи в природе больше, чем антиматерии. Последующие поиски экспериментальных признаков аксионов пока не увенчались успехом, но открыли возможность существования других аксионоподобных частиц. Поскольку их массы очень малы, они также могут быть похожи на безмассовые частицы света, фотоны, которые были успешно столкновены на Большом адронном коллайдере (БАК).
Это происходит, когда ускоренные протоны или ионы становятся настолько энергичными, что начинают излучать фотоны при сближении, поэтому окружающие их фотоны также сталкиваются. Исследователи смоделировали этот сценарий, но с аксионоподобными частицами вместо фотонов. Их расчеты показали, что ускоряющиеся протоны будут испускать больше аксионоподобных частиц, чем ускоряющиеся ионы, и обе будут испускать фотоны одновременно. Следовательно, команда определила столкновения протонов с ионами свинца как хорошее место для поиска улик, указывающих на столкновение аксионов с фотонами. Именно это столкновение — между протонами и ионами свинца — было проведено на LHC в 2016 году, и команда предполагает, что данные эксперимента могут скрывать намёки на ранее не обнаруженные, но новые аксионоподобные частицы.
Луциан Харланд-Лэнг из Университетского колледжа Лондона говорит, что это интересный и новый способ поиска ограничений на существование неоткрытых частиц, но его реализация может оказаться непростой. «Подобные столкновения происходят нечасто, и в таких случаях мы должны быть абсолютно уверены в отсутствии фоновых процессов, которые могли бы имитировать то, что мы ищем», — говорит он.
Что касается старых данных LHC, доступ к ним также затруднен из-за последующих изменений в программном обеспечении, говорит да Силвейра. Но он считает, что предстоящие эксперименты на LHC могут оказаться более многообещающими. «Мы могли бы настроить детекторы так, чтобы обнаружить этот конкретный сигнал», — говорит он.
Обнаружение сигнала аксионоподобной частицы не будет равнозначно обнаружению аксиона, поэтому, возможно, оно не даст полного ответа на один из главных вопросов физики. Тем не менее, это, безусловно, приведёт к более глубокому пониманию физики элементарных частиц, поднимая вопросы о том, как новые частицы взаимодействуют со всеми существующими, и могут ли они также играть роль в определении состава таинственной тёмной материи, заполняющей нашу Вселенную.
Ссылка на журнал: Physical Review Letters, в печати
ЦЕРН и Монблан, темная и замороженная материя: Швейцария и Франция
Приготовьтесь к потрясению от ЦЕРНа, европейского центра физики элементарных частиц, где исследователи управляют знаменитым Большим адронным коллайдером, расположенным недалеко от очаровательного швейцарского города Женева на берегу озера.
Узнать больше
Статья изменена 24 сентября 2025 г.
Мы уточнили детектор, изображенный на изображении.
Источник: www.newscientist.com
