Ученые сделали шаг к пониманию тёмной материи: эксперимент AMBER снизил неопределенность в образовании антипротонов
Исследование AMBER поможет отделить стандартный способ производства антипротонов от экзотического, повышая чувствительность к сигналам тёмной материи
На прошедшей неделе двухгодичная конференция ICHEP стала площадкой для презентации результатов первого периода сбора данных эксперимента AMBER. Эти результаты, полученные в 2023 году, демонстрируют предварительные графики сечения образования антипротонов — вероятности формирования антипротонов при взаимодействии пучка протонов с гелиевой мишенью. Понимание механизма образования антипротонов имеет важное значение для повышения чувствительности поисков тёмной материи.
Тёмная материя, составляющая около четверти массы Вселенной, остаётся загадкой для учёных, поскольку она не взаимодействует с электромагнитным полем, что делает её невидимой для прямых наблюдений. Однако косвенные свидетельства её существования можно найти в данных о космических лучах, собираемых такими экспериментами, как AMS [Alpha Magnetic Spectrometer, детектор частиц, установленный на МКС для изучения космических лучей]. Среди этих лучей есть антипротоны, которые могут быть произведены не только первичными космическими лучами, но и в результате взаимодействия первичных лучей с межзвёздной средой. Недавние наблюдения AMS показали превышение числа антипротонных космических лучей над прогнозируемыми значениями, что может указывать на наличие источника, такого как тёмная материя.
Эксперимент AMBER призван помочь в решении этой загадки. «Для отделения стандартного способа производства антипротонов необходимо хорошо понимать стандартный механизм их образования. Изучая образование антипротонов, мы снижаем неопределённость относительно ожидаемого фона антипротонов в космосе, что повышает чувствительность к любым экзотическим сигналам», — поясняет Давиде Джордано, исследователь эксперимента AMBER.
AMBER, расположенный на месте бывшего эксперимента COMPASS, является новым объектом, использующим вторичный пучок от SPS и направляющим его на сменную фиксированную цель в Северной зоне ЦЕРНа. Вторичный пучок в ускорителе частиц SPS (Super Proton Synchrotron) — это поток частиц, который образуется в результате взаимодействия первичного пучка протонов, ускоренных в SPS, с мишенью. Когда высокоэнергетические протоны из первичного пучка сталкиваются с мишенью, они производят различные вторичные частицы, такие как пионы, каоны, антипротоны и другие. Эти вторичные частицы затем могут быть отделены и сфокусированы в виде вторичного пучка для дальнейших экспериментов. Вторичные пучки от SPS используются в различных экспериментах в ЦЕРНе, для изучения свойств элементарных частиц и их взаимодействий.
Первая фаза программы включает три эксперимента: изучение сечения образования антиматерии, измерение радиуса протона и исследование механизма получения адронами своей массы. В прошлом году для сбора данных использовалась мишень из жидкого гелия, а полученные треки частиц были зарегистрированы спектрометром AMBER.
«Одной из наиболее распространённых реакций, приводящих к образованию антипротонов в космосе, является реакция между протонами и гелием. До AMBER не было экспериментальных данных об этой реакции в диапазоне энергий, соответствующих AMS», — продолжает Джордано.
Представленные на ICHEP результаты, хотя и предварительные, продемонстрировали высокую точность измерений AMBER, с очень низкими статистическими неопределённостями. «Мы уже получили данные в 2024 году, используя водород и дейтерий в качестве целей», — сообщил Джордано.
Планируется использовать данные по водороду для изучения столкновений протонов и протонов, наиболее распространённой реакции, лежащей в основе образования антипротонов в космосе. Данные по дейтерию позволят физикам сравнить скорость образования антипротонов в столкновениях протонов и протонов со скоростью столкновений протонов и нейтронов, что поможет исследовать малоизученную асимметрию образования.