11/04/2017 ВУЗы

Томские ученые в ЦЕРНе сузили зону поиска частицы-посредника между видимой и невидимой Вселенной

174 Сотрудничество Физика Инновации Томск ​Ученым Физико-технического института Томского политехнического университета и их коллегам из Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) за год удалось примерно на 25% сузить зону поиска темного фотона — частицы-посредника между видимым миром и темной материей — невидимой частью нашей Вселенной, влияющей на движение звезд и галактик.

После открытия бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере исследование происхождения и природы темной материи является центральной проблемой в физике элементарных частиц.

Современная наука исходит из того, что видимая часть нашей Вселенной составляет лишь 5%. Остальные 95%  — темный сектор (темная энергия (72%) и темная материя (23%)), — увидеть который прямым путем наблюдения невозможно. Присутствие в нашем мире темной материи выдает лишь ее масса, создающая гравитационные поля, которые влияют на траектории движения звезд и галактик.

«Существование темной материи позволяет объяснить целый ряд космологических наблюдений: аномальное поведение скорости звезд при удалении от центра галактик (их скорость возрастает вместо того, чтобы уменьшаться), наблюдаемое увеличение со временем расстояния между галактиками («обычного» вещества недостаточно, чтобы создаваемая им гравитация могла бы удержать галактики вместе) и многие другие явления», — рассказывает Валерий Любовицкий, профессор кафедры высшей математики и математической физики, возглавляющий в ЦЕРНе научную группу ТПУ.

Предполагается, что темная материя состоит из неизвестных на сегодняшний день тяжелых частиц, которые практически никак не взаимодействуют с видимой частью нашей Вселенной. Потенциальный кандидат на роль частицы-посредника во взаимодействии между темной и обычной материей — темный фотон. Он аналогичен обычному фотону (ред. — кванту света), но, в отличие от него, обладает массой.

Ученые полагают, что обычные и темные фотоны могут смешиваться. Именно это и позволяет взаимодействовать обычному и невидимому веществам. Однако обнаружить темный фотон можно лишь косвенно, по наблюдению за частицами, которые участвуют в реакциях его рождения или распада. Нахождение темного фотона, уверены ученые, может приблизить науку к разгадке тайны существования темной материи.

Поиском  темного фотона в ЦЕРНе занимается международная коллаборация NA64, в работе которой от Томского политеха участвует научная группа, состоящая из 10 научных сотрудников Лаборатории физики элементарных частиц при кафедре высшей математики и математической физики ФТИ.

В ходе эксперимента NA64 ученые стараются создать условия, при которых могли бы образовываться темные фотоны. Эксперимент проводится на протонном суперсинхротроне (Super Proton Synchrotron, SPS) — кольцевом ускорителе частиц ЦЕРНа с длиной окружности 6,9 км. Ускоритель испускает пучок электронов с заранее известной энергией. Электроны, составляющие пучок,  попадают на детектор и взаимодействуют с его атомами, создавая видимые фотоны. Если темные фотоны существуют, то унесенная ими энергия  вычитается из первоначальной энергии электронов, согласно закону сохранения энергии. В результате наблюдается потеря энергии, которую нельзя связать с известными процессами.

«Параметры, по которым можно обнаружить темный фотон, — его масса и константа в процессе смешивания с обычными фотонами. В результате эксперимента нам удалось установить сильное ограничение на константу смешивания обычного фотона и темного фотона, которая должна быть меньше 1,2 × 10⁻⁴ при массе темного фотона в пределах  0,002 – 0,4 ГэВ», — рассказывает Андрей Трифонов, заведующий кафедрой высшей математики и математической физики ТПУ.

Новые данные, обозначающие границы поиска темного фотона, опубликованы в журнале Physical Review Letters. Также они внесены в таблицу элементарных частиц международного сборника Particle Data Group (PDG), объединяющего совокупность знаний о структуре элементарных частиц и их свойствах.

Издание Particle Data Group публикуется раз в два года. В нем приводятся новейшие данные о свойствах всех частиц, как известных, так и неизвестных. В случае с гипотетическими частицами публикуются данные экспериментов, сужающие зону их поиска.

«Внесение результатов эксперимента в Таблицу элементарных частиц PDG для ученого означает не меньше, чем публикация его научной статьи в высокорейтинговом журнале, ведь этот справочник используют физики по всему миру. Нам удалось получить новые данные о темном фотоне за один год — это достаточно хороший и быстрый результат для ЦЕРНа, где некоторые эксперименты продолжаются годами. Тем более, учитывая, что мы находимся в центре не постоянно — нам выделяют строго ограниченное время для использования ускорителя  SPS. Сейчас руководством коллаборации ведутся переговоры с комиссией SPSC о том, чтобы наш коллектив мог использовать пучок протонного суперсинхротрона круглогодично», —  рассказывает Богдан Василишин, участник эксперимента, сотрудник Лаборатории физики элементарных частиц ТПУ.

Напомним, первый сеанс эксперимента NA64 на ускорителе SPS успешно прошел в 2015 году, следом за ним, в 2016-м, состоялись еще два. Новый сеанс, длительность которого составит 5 недель, запланирован на осень 2017 года.

«Наш эксперимент называется «бим‐дамп» (Beam-dump) — эксперимент в герметичной постановке, когда первоначальный пучок частиц вбрасывается в установку, в которой происходит поглощение всей энергии, фиксируемой детектором. Образование темных частиц в детекторах оставляет довольно специфичную сигнатуру, по которой и можно определить, что здесь мы столкнулись с физикой, которая не укладывается в рамки Стандартной модели элементарных частиц», — заключает Ренат Дусаев, участник эксперимента,  инженер  Лаборатории физики элементарных частиц ТПУ.

Справка:

В состав коллаборации NA64 входят ученые из Института ядерных исследований (Москва), Института физики высоких энергий (Протвино),  Объединенного института ядерных исследований (Дубна), Томского политехнического университета, Боннского университета (Германия), Технологического университет Мюнхена (Германия), Технических университетов г. Вальпараисо (Чили) и г. Цюрих (Швейцария).

ЦЕРН — Европейский центр ядерных исследований, расположенный вблизи Женевы. В состав ускорительных установок ЦЕРНа входит Большой адронный коллайдер (LHC), который разгоняет пучки встречных протонов до энергии 7 ТэВ. LHC входит в ускорительный комплекс, который включает в себя цепь ускорителей, разгоняющих протоны до энергии 450 ГэВ. Последним звеном в данной цепи является ускоритель SPS, который непосредственно инжектирует протоны в LHC.