«Это слабое взаимодействие приводит к длительному времени жизни, то есть в условиях NA62 A' пройдёт расстояние от десятых долей сантиметра до сотен метров, прежде чем распадётся. Теоретически, если тёмный фотон является самой лёгкой частицей тёмной материи и имеет массу ниже примерно 700 МэВ, то он в первую очередь распадётся на лептонные пары, такие как электроны или мюоны. NA62 имеет все необходимые ингредиенты, чтобы увидеть эти сигналы распада, включая очень длинную линию пучка (более 80 м от цели до объёма распада), точные системы отслеживания, синхронизации и идентификации частиц, а также возможность собирать эти данные в почти бесфоновом режиме», — объяснили Клейменова и Гинеску.

Основной целью недавнего исследования, проведённого коллаборацией NA62, было изучение чувствительности детектора NA62 в ЦЕРНе к распадам тёмных фотонов. Анализируя данные, собранные детектором, команда надеялась идентифицировать сигналы, которые могли быть связаны с тёмными фотонами.

«NA62 — это эксперимент с каонами, посвящённый точным измерениям и изучению редких распадов каонов. Эксперимент также может работать в "режиме сброса". В этом режиме мы можем удалить мишень, используемую для каонов, и сбросить пучок протонов 400 ГэВ на поглотитель с интенсивностью, вдвое превышающей обычную», — пояснили авторы.

Теоретические предсказания предполагают, что взаимодействия между протонами и материалом сброса в детекторе NA62 могут производить различные частицы в скрытых секторах светового спектра с массами около 1 ГэВ, включая и тёмные фотоны. Эти частицы затем могут перемещаться и распадаться в инструментальной области эксперимента NA62.

В рамках своего исследования учёные проанализировали выборку данных из 1,4×1017 протонов на сбросе, собранную детектором NA62 в 2021 году.

«К сожалению, мы не нашли доказательств существования тёмных фотонов, но нам удалось исключить новые области в пространстве параметров массы и силы взаимодействия тёмных фотонов. Кроме того, наши результаты можно переосмыслить в рамках других моделей, например, включающих аксионоподобные частицы», — говорят авторы.

Хотя команда пока не обнаружила распады тёмных фотонов, их результаты могут дать информацию для будущих поисков этих неуловимых частиц. Сейчас учёные работают над объединением своих результатов с результатами анализа конечных состояний адронов, проведённого коллаборацией.

«Наша конечная цель — распространить этот анализ на весь набор данных дампа NA62. Кроме того, есть ещё несколько сценариев скрытого сектора, которые может исследовать NA62, например, тяжёлые нейтральные лептоны (HNL). HNL особенно интересны, поскольку они могут решать несколько ключевых проблем в физике элементарных частиц и космологии, таких как происхождение масс нейтрино, асимметрия материи-антиматерии во Вселенной и природа тёмной материи. Текущая работа завершит комплексный поиск медиаторов тёмной материи с использованием данных, собранных NA62 в 2021 году», — заключили Клейменова и Гинеску.

Результаты исследования коллаборации NA62 были опубликованы в журнале Physical Review Letters и представляют собой важный шаг в понимании природы тёмной материи. Хотя обнаружение тёмных фотонов пока не удалось, исследование показало, что детектор NA62 может быть использован для изучения других гипотетических частиц, которые могут быть связаны с тёмной материей.

Исследование темной материи является одной из наиболее актуальных проблем современной физики, а коллаборация NA62 является одной из ведущих групп в этой области.