Идёт охота за «тёмными» фотонами

Учёные предлагают использовать мегаваттные электронные пучки для поиска одного из возможных кандидатов в частицы тёмной материи — тяжёлого бозона, известного как «А-штрих» (A’) и во многом похожего на кванты света фотоны.

Тёмная материя — тема, в которой изучение микромира может помочь понять устройство мира макро.
Тёмная материя — тема, в которой изучение микромира может помочь понять устройство мира макро.

Ещё в 1930-е годы астрофизики обнаружили, что наблюдаемые ими спиральные галактики вращаются быстрее, чем должны бы на основе оценки их видимой массы и ньютоновского закона тяготения.

Зависимость скорости вращения галактик от расстояния до их центра. B — то, что наблюдается, A — то, что должно быть по теории.
Зависимость скорости вращения галактик от расстояния до их центра. B — то, что наблюдается, A — то, что должно быть по теории.

Чтобы объяснить этот феномен, получивший название скрытой массы, учёные предположили, что в природе существует некая загадочная тёмная материя, не принимающая участие в электромагнитном взаимодействии и потому практически не вступающая в контакт с обычным веществом (за исключением, естественно, гравитационного притяжения). По современным оценкам, на долю тёмной материи приходится около 27% общей массы Вселенной, а в составе галактик её доля превышает 50%.

Перебрав все известные науке частицы, учёные пришли к выводу, что ни одна из них не подходит на роль составного кирпичика тёмной материи. Таким образом возникла проблема поиска новых частиц, которые могли бы объяснить наблюдения.

Основой современной картины микромира является Стандартная модель, в которую удачно вписываются все известные частицы, и пока неизвестно ни одной частицы, которая этой моделью не описывалась бы. Несмотря на это, учёные строят различные варианты расширения Стандартной модели, и в таких расширениях уже появляются новые частицы, некоторые из которых идеально подходят на роль частиц тёмной материи.

Фундаментальные частицы Стандартной модели.
Фундаментальные частицы Стандартной модели.

Наиболее известными являются, пожалуй, так называемые вимпы (от англ. WIMP — Weakly Interacting Massive Particles, слабо взаимодействующие массивные частицы), которые чем-то похожи на нейтрино — они так же принимают участие только в слабом взаимодействии. Собственно, одним из популярных вимпов является так называемый «стерильный» нейтрино. В отличии от стандартных нейтрино, однако, вимпы значительно более массивны.

Вимпы, однако, не единственные претенденты на звание частиц тёмной материи. Другим кандидатом являются тяжёлые бозоны (это такие частицы, например, протон или нейтрон, у которых спин целый, в отличии от фермионов — например, электрона — у которых спин полуцелый). Так, в ряде теорий появляются тяжёлые партнёры фотонов, одним из которых и является упоминавшийся в начале «А-штрих».

Как же можно засечь наличие таких «тёмных» фотонов? Учёные из Лаборатории Джефферсона (Jefferson Lab) предложили использовать для этого мощные пучки электронов. Идея заключается в том, что если «А-штрих» похож на фотон, то, как и фотон, он должен генерироваться при пролёте электрона в сильном электрическом поле. Только масса «А-штриха» значительно выше, поэтому и энергия электрона, необходимая для его появления, должна быть выше. Если это, действительно, так, то в эксперименте учёные должны заметить появление в районе, соответствующем массе «тяжёлого» фотона, небольшого пика в распределении по энергиям электронов, пролетевших через сильное поле.

Проект, получивший говорящее название DarkLight, будет основан на использовании линейного ускорителя электронов, расположенного в Jefferson Lab и способного обеспечивать получение электронных пучков мегаваттной мощности. Ожидается, что масса не открытой пока частицы должна лежать в пределах от единиц до сотен МэВ, а ускоритель как раз и производит электроны с энергией 100 МэВ.

Одна из секций ускорителя в Jefferson Lab.
Одна из секций ускорителя в Jefferson Lab.

Ускоренный пучок электронов будет посылаться на струю газа. Пролетая мимо ядра, электрон попадает в его сильное электростатическое поле и может породить гамма-фотон или частицу A’. Учёные будут регистрировать энергию электронов после пролёта струи. Если окажется, что в распределении пролетевших электронов окажется провал для определённой энергии, то это и будет говорить о рождении гипотетической частицы.

Несмотря на огромную мощность установки, даже ей потребуется несколько лет на сбор достаточного количества статистики, чтобы говорить об открытии или неоткрытии частицы. Оно того, однако, стоит. Если «тяжёлый» фотон удастся обнаружить, это открытие станет не только главным претендентом на Нобелевскую премию по физике, но и откроет новую большую главу в фундаментальной физике.

comments powered by Disqus