Экспедиция за темным бозоном

Татьяна Пичугина
«Троицкий вариант» №1(170), 13 января 2015 года

Осенью 2015 года ученые из Троицка, Протвино и Дубны планируют подключиться к поискам темного бозона и поставить эксперимент на протонном суперсинхротроне в ЦЕРН¹. Об этом рассказал в конце декабря на семинаре в ИФВЭ Николай Красников, заведующий отделом теоретической физики ИЯИ РАН, один из ведущих в стране специалистов по поиску новой физики на большом адронном коллайдере. Темный бозон — гипотетическая частица-посредник, переносящая дополнительные взаимодействия между нашим видимым миром и темной материей. Новая частица аналогична обычному фотону, кванту света, переносящему электромагнитные взаимодействия между элементарными частицами, однако, в отличие от него, обладает массой. Многие научные группы в мире ищут темный бозон, но пока безуспешно.

«Сейчас в физике высоких энергий нет задачи важнее, чем найти хоть какие-то указания на свойства темной материи, например проявления сил, которые связывают ее с обычным миром, — пояснил нам Николай Красников. — Многие думают, что в течение жизни нашего поколения мы будем знать, из чего состоит темная материя».

Известно, что темная материя взаимодействует с нашим веществом слабо, в основном посредством гравитации, поэтому судить о ее дополнительных свойствах и взаимодействиях приходится по косвенным признакам — нестыковкам в экспериментах и аномалиям в наблюдениях, таким как избыток позитронов, который обнаружила коллаборация спутника PAMELA несколько лет назад. Ученые строят различные гипотезы, в которых пытаются объяснить эти необычные факты. Одна из гипотез предполагает существование легкого темного бозона. Постановкой экспериментов по поиску темного бозона занимаются многие научные группы в мире, в том числе ЦЕРН. Проблема в том, что неизвестны ни константа взаимодействия этой частицы, ни ее масса, и вариантов распада можно предположить множество. Однако лет десять назад, рассказал Николай Красников, появилась некая зацепка, которая приободрила физиков и усилила интерес к этой гипотезе. Это известный эксперимент по измерению аномального магнитного момента мюона, проведенный Брукхэйвенской национальной лабораторией в США. Результаты эксперимента различались с предсказаниями на 3,6 стандартного отклонения, а это уже был повод задуматься. Ученые исключали один объясняющий расхождение сценарий за другим, но проверено еще не всё. В том числе, остается вероятность присутствия легкого темного бозона, который распадается на два нейтрино.

Этот сценарий и будут проверять наши ученые в ЦЕРН. Заявку на проведение эксперимента в ЦЕРН по поиску этой новой частицы большая группа авторов из институтов Троицка, Протвино и Дубны подала еще осенью 2013 года². Только в ЦЕРН можно получить интенсивность вторичных пучков электронов и мюонов, достаточную для поиска сигнала от темного бозона. Это предложение встретили с интересом. После представления и многочисленных обсуждений научный комитет ЦЕРН по новым экспериментам рекомендовал его для проведения первых поисков в 2015 году.

Эксперимент обсудили и поддержали члены рабочей группы Россия–ЦЕРН. Общее научное руководство экспериментом взял на себя директор ОИЯИ академик В. А. Матвеев, а его споуксменом стал ведущий научный сотрудник ИЯИ РАН С. Н. Гниненко. В эксперимент кроме российских групп из ИЯИ РАН, ИФВЭ и ОИЯИ вошли ученые Германии, Греции, Чили, Швейцарии и Южной Кореи.

¹ Доклад Н. В. Красникова (ИЯИ РАН) на Марковских чтениях 14 мая 2014 г.
² Proposal for an Experiment to Search for Light Dark Matter at the SPS. arXiv:1312.3309.