Предел ощутимости темной материи на LHC стал в 10 раз точнее

M. Hoferichter et al / Phys. Rev. Lett

Отсутствие «невидимых» распадов бозона Хиггса в собранных на Большом адронном коллайдере данных позволяет получить ограничения на сечение взаимодействия частиц темной и обычной материи. Физики из США, Германии и Японии практически убрали неопределенность в этих ограничениях. Для этого они более чем в десять раз уточнили значение параметра, определяющего взаимодействие бозона Хиггса с нуклоном. Статья опубликована в Physical Review Letters.

В 2012 году на Большом адронном коллайдере (LHC) нашли частицу с массой около 125 гигаэлектронвольт, кандидата на роль бозона Хиггса. Дальнейшие исследования подтвердили, что спин, четность и схемы распада бозона находятся в соответствии с предсказаниями Стандартной модели. Интересно, что если бы бозон Хиггса распадался на некоторые гипотетические долгоживущие частицы, не предсказываемые Стандартной моделью и не оставляющие следов в детекторах (так называемые «невидимые хиггсовские распады»), мы бы регистрировали события, в которых поперечный импульс сильно изменялся. Отсутствие таких событий налагает ограничения на физику вне Стандартной модели.

В частности, несколько альтернативных моделей (так называемые модели портала Хиггса, Higgs-portal models) рассматривают на роль таких гипотетических частиц вимпы, взаимодействующие с полями Стандартной модели через обмен бозоном Хиггса. При условии, что масса вимпа меньше половины массы бозона, ограничения на ширину «невидимого распада» Хиггса и на сечение (грубо говоря, вероятность) взаимодействия частиц темной и обычной материи находятся в однозначном соответствии. Это соответствие основано на взаимодействии бозона с отдельными легкими кварками и глюонами, составляющими нуклон, и описывается матричными элементами скалярного тока (простейшие диаграммы Фейнмана этих процессов изображены на рисунке, взаимодействие с глюоном осуществляется через дополнительное рождение и аннигиляцию пары тяжелых кварков).

Если просуммировать все эти матричные элементы, получится некоторая величина fN, описывающая эффективное взаимодействие бозона Хиггса и нуклона. Зная fN, уже можно получить ограничения на сечение рассеяния вимпов на нуклонах. На данный момент для fN существуют различные оценки от 0,260 до 0,629 (это безразмерный параметр), что приводит к нечеткому определению ограничений на сечение. В данной статье ученые существенно уточнили значение fN.

Для этого физики разбили вычисление fN на две части. Суммирование по тяжелым кваркам (t, b и c) в лидирующем порядке легко выполняется благодаря следовой аномалии КХД (QCD trace anomaly). Поправки к этой сумме, возникающие из-за нарушения закона сохранения изоспина, для нуклонов несущественны (меньше одной десятой процента), и ими можно пренебречь. Поправки по теории возмущений были рассчитаны в более ранней работе. Для оценки суммы по легким кваркам (u, d и s) ученые сложили найденные ранее с помощью решеточных вычислений значения матричных элементов для отдельных кварков. В результате они получили итоговое значение fN = 0.307 ± 0.018.

Кроме того, ученые заметили, что в ядрах, состоящих из нескольких нуклонов, при расчете взаимодействия нуклона с бозоном Хиггса необходимо учитывать влияние остальных частиц ядра. Возникающие из-за этого поправки к fN они вычислили в приближении киральной эффективной теории поля (chiral effective field theory, EFT) и двух взаимодействующих нуклонов. Наибольший вклад при учете такого взаимодействия дают изображенные на рисунке диаграммы. Тем не менее, этот вклад оказывается не таким уж большим (порядка fN2b = 0,001), и конечный ответ практически не меняется: fN = 0.308 ± 0.018.

Зная значение fN, ученые рассчитали по известной формуле ограничения на сечение рассеяния вимпов на нуклонах для трех предполагаемых моделей портала Хиггса, в которых взаимодействие вимпа и бозона Хиггса осуществляется через скалярное, векторное или фермионное поле. Для этого они использовали данные по сечениям рассеяния бозона Хиггса, полученные на LHC. Также физики сравнили эти результаты с ограничениями, определенными из прямых наблюдений за рассеиванием вимпа на нуклоне (точнее, за отсутствием таких каналов рассеивания). Более подробно результаты ученых можно увидеть на нарисованной ими диаграмме.

Таким образом, работа ученых существенно снизила неопределенность в значении fN (с более чем ста до семи процентов) и в полученных экспериментально ограничениях на сечение взаимодействия частиц темной и обычной материи. По словам авторов, этот результат показывает, что современная ядерная физика позволяет практически полностью использовать экспериментальные данные.

В прошлом месяце мы писали, как для поиска распадов бозона Хиггса в данных с LHC физики применили машинное обучение и квантовый отжиг.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.