Гипотетические темные фотоны можно искать, наблюдая за образованием мюон-антимюонных пар в ходе столкновения двух протонов. Коллаборация LHCb выполнила такой поиск и снова не нашла распады темных фотонов на подобные пары. Вместо этого она установила новые, более строгие ограничения на величину ε, описывающую взаимодействие темных фотонов с электромагнитным током Стандартной модели. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Некоторые теории предполагают, что частицы темной материи взаимодействуют друг с другом с помощью неизвестных сил, не входящих в Стандартную модель. Например, с помощью темного электромагнетизма. Переносчиком такого взаимодействия считаются гипотетические темные фотоны — они очень похожи на обычные фотоны, но их связь с электромагнитным током Стандартной модели сильно подавлена множителем ε, по разным оценкам не превышающим 10⁻⁶÷10⁻² (это безразмерный параметр) Тем не менее, предполагается, что темные фотоны могут возникать при столкновениях обычных частиц, хотя и очень редко — тем реже, чем меньше величина ε. Поэтому физики надеются найти темные фотоны, наблюдая за такими столкновениями. К сожалению, пока что темные фотоны так и не удалось найти, и ученым приходится устанавливать все более и более жесткие ограничения на величину ε.

В данной статье коллаборация LHCb сообщила о поиске темных фотонов, которые должны возникать в протон-протонных столкновениях и регистрироваться детектором LHCb. Если точнее, ученые следили за тем, как в таких столкновениях образуются пары мюон-антимюон. В частности, предполагается, что такие пары могут возникать в результате распада темных фотонов — следовательно, измеряя сечение подобных процессов, можно подтвердить существование темных фотонов или установить новое точное ограничение на величину ε. Энергия протонов в системе центра инерции достигала 13 тераэлектронвольт, а суммарная светимость коллайдера в ходе эксперимента составила 1,6 обратных фемтобарн. Подробнее о детекторе LHCb можно прочитать в нашем интервью с Гаем Уилкинсоном и Рольфом Линднером — официальным представителем и техническим директором эксперимента.

Для начала физики теоретически рассчитали, какой сигнал следует ожидать от распадов темных фотонов на мюон-антимюонные пары. Поскольку темные фотоны очень похожи на обычные, этот вклад пропорционален вкладу обычных фотонов, умноженному на квадрат величины ε и некоторый множитель, который описывает «эффективность регистрации» процессов. В свою очередь, «эффективность» зависит от времени жизни темных фотонов. Если темные фотоны не распадаются в невидимые каналы, время оказывается обратно пропорционально массе фотона и величине ε2, и распад будет немного смещен от момента столкновения протонов. Если же время жизни много меньше экспериментального разрешения, распады темных фотонов будут экспериментально неотличимы от распадов обычных фотонов. Поэтому ученые рассматривали такие процессы по отдельности.

Разумеется, мюон-антимюонные пары образуются не только в результате распада темных фотонов, но и в ходе других процессов, которые запускает столкновение протонов (распад обычных фотонов или, например, b-адронов). Кроме того, детектор может «перепутать» мюоны с другими частицами (например, принять за него двойную регистрацию адронов). Поэтому ученые численно смоделировали столкновения с учетом особенностей детектора, а затем смотрели за отклонениями экспериментальных данных от своей модели. Нормируя величину этих отклонений на теоретически рассчитанный сигнал темных фотонов, физики определяли величину ε2.

Вклад различных процессов в образование мюон-антимюонных пар. LHCb Collaboration / Phys. Rev. Lett.

В результате ограничения на величину ε2 составили около 10⁻⁵ в диапазоне масс темного фотона от 10 до 70 гигаэлектронвольт в предположении, что распад фотонов происходит практически моментально. Это наиболее строгое ограничение, измеренное на данный момент. Для меньших масс фотона полученные ограничения были даже более строгими, но не превосходили результаты предыдущих экспериментов BaBar и KLOE. С другой стороны, ограничения в случае долгоживущих фотонов удалось найти только для сравнительно легких частиц с массами от 214 до 350 мегаэлектронвольт, поскольку время их жизни тем больше, чем меньше масса и величина ε2. Для них оценки составили около ε2 ~ 10⁻⁸.

Ограничение на величину ε2, определенное для короткоживущих фотонов, в сравнении с другими экспериментами. LHCb Collaboration / Phys. Rev. Lett.

Ограничение на величину ε2, определенное для долгоживущих фотонов. LHCb Collaboration / Phys. Rev. Lett.

В прошлом месяце мы писали о новой схеме сравнительно недорогого эксперимента, с помощью которого можно будет найти темные фотоны. А совсем недавно физики из университета Ратгерса показали, что если темные фотоны действительно существуют, темная материя будет собираться в сложные структуры, оставаясь однородной на больших масштабах.

Автор: Дмитрий Трунин