Вчені зробили крок до розуміння темної матерії

Минулого тижня дворічна конференція ICHEP стала майданчиком для презентації результатів першого періоду збору даних експерименту AMBER. Ці результати, отримані у 2023 році, демонструють попередні графіки перерізу утворення антипротонів – ймовірності формування антипротонів при взаємодії пучка протонів із гелією. Розуміння механізму утворення антипротонів має важливе значення для підвищення чутливості до пошуків темної матерії.

Темна матерія, що становить близько чверті маси Всесвіту, залишається загадкою для вчених, оскільки вона не взаємодіє з електромагнітною силою, що робить її невидимою для прямих спостережень. Однак непрямі свідчення її існування можна знайти в даних про космічні промені, що збираються такими експериментами, як AMS [Alpha Magnetic Spectrometer, детектор частинок, встановлений на МКС для вивчення космічних променів]. Серед цих променів є антипротони, які можуть бути зроблені не тільки первинними космічними променями, але і в результаті взаємодії первинних променів з міжзоряним середовищем. Нещодавні спостереження AMS показали перевищення числа антипротонних космічних променів над прогнозованими значеннями, що може свідчити про наявність джерела, такого як темна матерія.

Експеримент AMBER покликаний допомогти у вирішенні цієї загадки. Для відділення стандартного способу виробництва антипротонів необхідно добре розуміти стандартний механізм їх утворення. Вивчаючи утворення антипротонів, ми знижуємо невизначеність щодо очікуваного фону антипротонів у космосі, що підвищує чутливість до будь-яких екзотичних сигналів», — пояснює Давід Джордано, дослідник експерименту AMBER.

AMBER, розташований на місці колишнього експерименту COMPASS, є новим об’єктом, який використовує вторинний пучок від SPS і направляє його на змінну фіксовану мету в Північній зоні ЦЕРНу. Вторинний пучок у прискорювачі частинок SPS (Super Proton Synchrotron) — це потік частинок, який утворюється в результаті взаємодії первинного пучка протонів, прискорених SPS, з мішенню. Коли високоенергетичні протони з первинного пучка зіштовхуються з мішенню, вони виробляють різні вторинні частки, такі як півонії, кайони, антипротони та інші. Ці вторинні частинки можуть бути відокремлені і сфокусовані у вигляді вторинного пучка для подальших експериментів. Вторинні пучки від SPS використовують у різних експериментах в ЦЕРНі, вивчення властивостей елементарних частинок та його взаємодій.

Перша фаза програми включає три експерименти: вивчення перерізу освіти антиматерії, вимірювання радіусу протона та дослідження механізму отримання адронами своєї маси. Минулого року для збору даних використовувалася мета з рідкого гелію, а отримані треки частинок були зареєстровані спектрометром AMBER.

«Однією з найпоширеніших реакцій, що призводять до утворення антипротонів у космосі, є реакція між протонами та гелієм. До AMBER не було експериментальних даних щодо цієї реакції в діапазоні енергій, що відповідають AMS», — продовжує Джордано.

Подані на ICHEP результати, хоч і попередні, продемонстрували високу точність вимірювань AMBER з дуже низькими статистичними невизначеностями. «Ми вже отримали дані у 2024 році, використовуючи водень і дейтерій як цілі», — повідомив Джордано.

Планується використовувати дані водню для вивчення зіткнень протонів і протонів, найбільш поширеної реакції, що лежить в основі утворення антипротонів у космосі. Дані щодо дейтерію дозволять фізикам порівняти швидкість утворення антипротонів у зіткненнях протонів та протонів зі швидкістю зіткнень протонів та нейтронів, що допоможе дослідити маловивчену асиметрію освіти.