Источник: Научный бюллетень (2024 г.). DOI: 10.1016/j.scib.2024.06.003
В 1930-х годах швейцарский астроном Фриц Цвикки обнаружил, что скорости галактик в скоплении Кома слишком высоки, чтобы поддерживаться только гравитационным притяжением светящейся материи. Он подозревал существование несветящейся материи внутри скопления галактик, которую назвал темной материей. Это открытие положило начало человеческому пониманию и изучению темной материи.
Наиболее точные измерения темной материи во Вселенной сегодня происходят благодаря наблюдениям космического микроволнового фонового излучения. Последние результаты спутника «Планк» показывают, что около 5% массы нашей Вселенной состоит из видимой материи (в основном барионной материи), около 27% — темной материи, а остальное — темной энергии.
Хотя обширные астрономические наблюдения подтверждают существование темной материи, мы мало знаем о свойствах частиц темной материи. С микроскопической точки зрения стандартная модель физики элементарных частиц, созданная в середине 20-го века, оказалась чрезвычайно успешной и была подтверждена многочисленными экспериментами.
Однако Стандартная модель не может объяснить существование темной материи во Вселенной. Это показывает, что нам необходимо разработать новые физические законы, выходящие за рамки Стандартной модели, чтобы объяснить возможные частицы темной материи. Существует также острая необходимость найти экспериментальные доказательства в пользу этих кандидатов.
Следовательно, изучение темной материи является не только горячей темой в астрономии, но и в центре внимания исследований физики элементарных частиц. Поиск частиц темной материи в коллайдерах является одним из трех основных экспериментальных подходов к обнаружению взаимодействия между темной материей и нормальной материей и дополняет другие типы экспериментов по обнаружению темной материи, такие как эксперименты по прямому открытию подповерхностных слоев и эксперименты по косвенному открытию космического базирования.
Недавно коллаборация ATLAS провела поиск темной материи, используя данные протон-протонных столкновений 139 fb-1, собранные во время второго запуска БАКа, в рамках теоретической основы темной материи 2HDM+a. В поисках использовались различные процессы производства темной материи и экспериментальные признаки, в том числе те, которые не учитываются в традиционных моделях темной материи.
Для дальнейшего повышения чувствительности поиска темной материи в данной работе были статистически объединены три наиболее чувствительных экспериментальных признака: процесс распада Z-бозона на лептоны с большим недостающим поперечным импульсом, процесс распада бозона Хиггса на нижние кварки с большим недостающим поперечным импульсом и процесс заряженного бозона Хиггса с конечными состояниями верхнего и нижнего кварков.
Впервые ATLAS выполнил комбинированный статистический анализ конечных состояний, включая частицы темной материи и промежуточные состояния, которые распадаются непосредственно на частицы Стандартной модели. Это нововведение значительно улучшило ограничения пространства параметров модели и чувствительность к новой физике.
«Эта работа является одним из крупнейших проектов по поиску новой физики на БАКе и включает около 20 различных каналов анализа. Взаимодополняющий характер различных каналов анализа для ограничения пространства параметров новой физики подчеркивает уникальные преимущества экспериментов на коллайдере. — сказал Зируи Ванг, научный сотрудник Мичиганского университета.
Эта работа предоставила строгие экспериментальные ограничения для нескольких новых эталонных моделей параметров в рамках теоретической структуры 2HDM+a, включая некоторые пространства параметров, которые никогда не исследовались в предыдущих экспериментах. Это наиболее полный экспериментальный результат сотрудничества ATLAS для модели темной материи 2HDM+a.
Лайлинь Сюй, профессор Университета науки и технологий Китая, сказал: «2HDM+a — одна из самых важных новых физических теоретических основ темной материи в современном мире. Он предлагает значительные преимущества в предсказании явлений темной материи и совместим с текущими экспериментальными ограничениями. Он предсказывает широкий спектр процессов производства темной материи в экспериментах на БАКе.
«В этой работе систематически проводились многопроцессные поиски и объединенный статистический анализ на основе модели 2HDM+a. Результаты исключают большую часть возможного пространства параметров темной материи и дают важные подсказки для будущих поисков темной материи».
Ву Нгок Хан, постдокторант из Института Цунг Дао Ли, объяснил: «Хотя мы еще не нашли частиц темной материи по сравнению с тем, что было до операции БАКа, мы строго контролируем пространство параметров, в котором может существовать темная материя. Накладываются ограничения. , включая массу частиц темной материи и силу их взаимодействия с другими частицами, что еще больше ограничивает диапазон поиска».
Сотрудник Цунг Дао Ли Ли Шу добавил: «Пока данные, собранные БАКом, составляют лишь около 7% от общего объема данных, которые будет записан в ходе эксперимента. Данные, которые БАК соберет в течение следующих 20 лет, представляют собой огромную возможность открыть темную материю. Наш опыт показал, что темная материя может быть иной, чем мы думали вначале, что мотивирует нас использовать более инновационные экспериментальные методы и техники в наших поисках».
Информация от: Science China Press
