Совершенствуется методика изучения «невидимых» частиц на LHC

Многочисленные астрофизические данные указывают на то, что кроме звезд, газопылевых облаков и прочего «светлого» вещества во Вселенной имеется очень много темной материи. Так называют вещество, которое не видно ни в одном диапазоне электромагнитного спектра, но которое хорошо заметно по его гравитационному воздействию на обычную материю. Расчеты показывают, что оно в большинстве своем должно состоять из стабильных тяжелых частиц какого-то иного, неизвестного пока сорта. В Стандартной модели таких частиц нет, но подобные «кандидаты» в частицы темной материи возникают в более сложных моделях устройства нашего мира (в частности, в некоторых неминимальных хиггсовских моделях). Одной из задач LHC как раз будет поиск и исследование таких «невидимых» частиц.

Задача это намного более сложная, чем может показаться на первый взгляд. Частицы темной материи должны, по определению, быть стабильными и должны исключительно слабо взаимодействовать с обычным веществом. Это значит, что если такие частицы родятся в столкновениях протонов, то они вылетят из детектора незамеченными. Поэтому для того, чтобы изучать «темный сектор» нашего мира, требуется придумать методики изучения частиц, не «видя» их в детекторе.

В принципе, такие методики существуют. Самый простой способ — взять все зарегистрированные частицы и проверить, нет ли у них большого нескомпенсированного суммарного поперечного импульса. Если есть, то, значит, вместе с ними родилась и какая-то незамеченная частица, которая и унесла лишний поперечный импульс. (С продольным импульсом такой трюк не пройдет, поскольку в каждом конкретном столкновении рождается большое число частиц, летящих вперед, в трубу, которые поймать не удается.) Пример исследования на коллайдере Тэватрон, в котором как раз использовался такой критерий, см. в новости В эксперименте Run II отклонения от Стандартной модели пока не подтверждаются.

Однако для надежного поиска кандидатов в темную материю одного этого критерия недостаточно. Во-первых, в столкновениях протонов время от времени рождаются и нейтрино, которые тоже улетают, не оставляя следа в детекторе. Поэтому необходимо научиться отличать нейтрино от новых «невидимых» частиц. Это можно сделать, например, измерив массу «невидимой» частицы и доказав, что эта масса очень велика. Во-вторых, еще более сложная картина возникает, если на LHC будут рождаться тяжелые «невидимые» частицы не одного, а нескольких сортов (модели многокомпонентной темной материи уже придуманы теоретиками). Поэтому для решения задачи требуется придумать достаточно «прозорливую» методику анализа таких процессов, которая, к тому же, должна быть максимально модельно-независима, то есть не должна опираться на какие-то специфические теоретические предположения о свойствах этих частиц.

Именно такая методика была представлена в недавней статье “Dark Matter Particle Spectroscopy at the LHC: Generalizing MT2 to Asymmetric Event Topologies” (eprint arXiv:0911.4126). Авторы этой статьи показывают, как надо группировать зарегистрированные частицы и какие их кинематические величины надо анализировать, чтобы лучше всего «почувствовать отдачу» невидимых частиц, даже если их больше, чем одна. Они предлагают процедуру анализа, которая позволяет, по крайней мере в принципе, измерить массы всех невидимых частиц, родившихся в столкновении. Поэтому изучение даже такого сложного устройства нашего мира будет, теоретически, возможно на LHC.