Международные элементы: о вкладе России в изучение темной материи и черных дыр

Несмотря на сложную политическую обстановку в мире, международное сотрудничество в области физики элементарных частиц продолжается. В этом обзоре расскажем о вкладе россиян в изучение темной материи, черных дыр и бозонов Хиггса.

Платформа для аксионов

Ученые петербургского Университета «ИТМО» совместно с нобелевским лауреатом по физике Фрэнком Вильчеком опубликовали статью в Physical Review B. Они предложили новый способ изучения аксионов — ​кандидатов на роль частиц темной материи.

Темная материя, как считают физики, составляет значительную часть Вселенной, но по-прежнему остается одной из основных загадок для науки. Есть гипотеза, что темная материя соткана из аксионов — ​частиц, предсказанных Фрэнком Вильчеком и Стивеном Вайнбергом, тоже нобелевским лауреатом, в 1970‑е годы.

Одни ученые ищут следы аксионов в космосе или в экспериментах на мощных ускорителях, другие — ​в метаматериалах, искусственно созданных веществах с уникальными механическими или электромагнитными свойствами. По этому пути пошли ученые Университета «ИТМО». Они смоделировали материал, который собирается из слоев с известными магнитными и оптическими характеристиками. Квазичастицы в метаматериале проявляют те же свойства, что и гипотетические аксионы. Это доказано несколькими численными экспериментами. Так что метаматериал может стать платформой для тестирования свойств аксионов.

«Искусственные среды открывают богатые возможности протестировать дираковские фермионы, античастицы, а теперь и аксионы с помощью довольно простых систем. Вероятно, наше понимание таких систем подтолкнет и к новым фундаментальным результатам», — ​считает соавтор статьи, руководитель фронтирной лаборатории «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов» Университета «ИТМО» Максим Горлач.

Черные дыры и масса бозона

Коллаборация ATLAS в экспериментах на Большом адронном коллайдере ищет квантовые черные дыры. В июле вышел препринт, посвященный этому исследованию. В нем принимали участие ученые Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ).

«Квантовые черные дыры не имеют ничего общего со своими астрофизическими тезками, — ​рассказывает соавтор исследования, начальник сектора элементарных частиц Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ Евгений Храмов. — ​Привычные нам черные дыры возникают в результате того, что массивная звезда коллапсирует, то есть быстро сжимается под действием собственной массы, преобразуясь в область пространства-времени, которая притягивает к себе даже то, что движется со скоростью света. Квантовые же черные дыры — ​это объекты с дополнительными размерностями, гипотетическое предсказание вне рамок Стандартной модели. Их существование описывается в теориях многомерного пространства. Считается, что если пространство действительно имеет высшие, скрытые измерения, то микроскопические черные дыры могли возникнуть в ранней Вселенной сразу после Большого взрыва. Если это так, то рождение квантовых дыр можно «предположить» и на наиболее мощных из ныне действующих ускорителей. Ожидается, что такие микроскопические черные дыры будут не поглощать вещество, а, наоборот, мгновенно испускать излучение и тут же распадаться».

В эксперименте ATLAS квантовые черные дыры искали в распадах типа адрон — ​электрон. Пока безуспешно, но в науке отрицательный результат тоже результат: исключена вероятность образования таких дыр при энергии ниже 9,2 ТэВ.

Сотрудники Петербургского института ядерной физики (ПИЯФ, входит в НИЦ «Курчатовский институт») тоже участвуют в экспериментах ATLAS. В последнее время они были заняты измерением массы бозона Хиггса: ученые ПИЯФа объединили результаты двух сеансов на Большом адронном коллайдере: Run 1 (2009–2013) и Run 2 (2015–2019). Согласно объединенной статистике, масса такая: 125,11 ± 0,11 ГэВ/c2. Погрешность значительная, но раньше оценки массы бозона Хиггса расходились на три порядка. Теперь ученые хотят объединить свои данные с измерениями эксперимента CMS.

В Стандартной модели именно бозон Хиггса дает массу всем элементарным частицам. Поэтому так важно как можно точнее знать его собственную массу.