Физики из Австралии сделали прорыв в поисках тёмной материи, сузив её параметры

Анализ данных эксперимента в японской лаборатории позволил исследователям установить наиболее строгие на сегодняшний день ограничения на редкие распады B-мезонов

Учёный из Мельбурнского университета доктор Дэниел Маркантонио (Daniel Marcantonio) представил новый анализ данных эксперимента Belle, который дал самые строгие на сегодняшний день ограничения на редкие распады субатомных частиц. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Исследование было выполнено в рамках поиска гипотетических слабо взаимодействующих частиц (FIP, feebly interacting particles) — потенциальных кандидатов на физику за пределами Стандартной модели, которые могут быть связаны с тёмным сектором через так называемые «порталы» взаимодействий. В формализации исследования рассматривается невидимая частица X(inv), возникающая в распадах B-мезонов с дефицитом энергии.

Данные были собраны на ускорителе KEK в Японии, где происходили столкновения электронов и позитронов. За годы работы эксперимента был накоплен объём порядка 711 fb-1 данных, что соответствует более чем 770 миллионам пар B-мезонов. Эти тяжёлые мезоны, содержащие b-кварк, чувствительны к редким процессам распада, включая каналы с изменением аромата через нейтральные токи (FCNC), которые возникают в Стандартной модели только на определённом уровне.

Анализ был проведён для пяти каналов распада B-мезонов, включая как нейтральные, так и заряженные. Три из этих каналов ранее никогда не исследовались напрямую, что делает это исследование первым систематическим обзором такого рода процессов.

Для реконструкции событий использовалась техника полного восстановления событий (FEI, Full Event Interpretation), позволяющая идентифицировать один из B-мезонов по тысячам возможных сигналов и точно фиксировать кинематику столкновения. Это позволяет искать «недостающую энергию» — сигнал частицы, которая не фиксируется детектором.

Для подавления фона использовались многомерные алгоритмы классификации на основе градиентного бустинга (BDT), которые отделяют сигналы от фоновых процессов и от комбинаторных событий B-мезонных распадов. Это критически важно, поскольку искомый эффект проявляется как отклонение в распределении импульса отдачи, а не как прямой сигнал.

Во всех пяти каналах значительных отклонений от предсказаний Стандартной модели обнаружено не было. Тем не менее, в физике высоких энергий отсутствие сигнала является полноценным результатом: если бы новая частица существовала и взаимодействовала достаточно сильно, она проявилась бы в виде статистического «пика» в распределениях.

На основе этого результата исследование устанавливает наиболее строгие на сегодняшний день верхние пределы на вероятность соответствующих распадов — на уровне доверительной вероятности 90% (CL). Эти ограничения напрямую приводят к пределам на силу связи гипотетических частиц с обычной материей, включая аксионоподобные частицы и кандидаты тёмного сектора.

Особо важным результатом стали первые в мире прямые ограничения для каналов с очарованными мезонами. Эти данные закрывают значительные области параметров в моделях суперсимметрии и сценариях физики тёмного сектора, где ранее существовали «белые пятна».

Контекст работы усиливается текущими результатами Belle и Belle II, где наблюдаются отдельные напряжения в редких распадах. При этом остаются лишь узкие области параметров, связанные с резонансными состояниями чармония и D-мезонов, где сигнал практически неотделим от фоновых процессов. Таким образом, «пространство поиска» новых частиц продолжает сжиматься.

Представленный результат не выявляет новых частиц, но значительно уточняет границы их существования. Это сужает область поиска физики за пределами Стандартной модели и делает будущие эксперименты более целенаправленными — фактически превращая «нулевой результат» в инструмент навигации по скрытому сектору Вселенной.