Новое понимание темной материи: Belle II дает первые результаты в поисках Z-бозона

Эксперимент Belle II собирает данные физических измерений уже около года. После нескольких лет восстановительных работ электронно-позитронный ускоритель SuperKEKB и детектор Belle II были улучшены по сравнению со своими предшественниками, что позволило повысить скорость передачи данных в 40 раз. Ученые из 12 немецких исследовательских институтов занимаются конструированием и эксплуатацией детектора, разработкой алгоритмов оценки и анализом данных. Университет Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) поддержал этот проект, разработав и запрограммировав специальную электронику для мониторинга пиксельного детектора вершин.

С помощью Belle II ученые ищут следы новой физики, которые могут быть использованы для объяснения неравномерного появления вещества, антивещества и таинственной темной материи. Одна из пока не обнаруженных частиц, которую ищет детектор Belle II, – это Z-бозон – вариант бозона, который действует как обменная частица для слабого взаимодействия.

Насколько нам известно, около 25 процентов вселенной состоит из темной материи, тогда как видимая материя составляет чуть менее 5 процентов энергетической составляющей. Обе формы материи притягивают друг друга через гравитацию. Темная материя, таким образом, образует своего рода шаблон для распределения видимой материи. Это можно увидеть, например, в расположении галактик во Вселенной.

Связь между темной и нормальной материей

Z-бозон может играть интересную роль во взаимодействии темной и видимой материи, он может быть своего рода посредником между двумя формами материи. Z-бозон может – по крайней мере теоретически – быть результатом столкновения электронов (материи) и позитронов (антиматерии) в SuperKEKB и затем распадаться на невидимые частицы темной материи.

Таким образом, Z-бозон может помочь ученым понять поведение темной материи. Более того, открытие Z-бозона может также объяснить другие наблюдения, которые не согласуются со Стандартной моделью, фундаментальной теорией физики элементарных частиц.

Обнаружение Z-бозона

Но как обнаружить Z ‘бозон в детекторе Belle II? Не напрямую – это точно. Теоретические модели и симуляции предсказывают, что Z-бозон может проявить себя через взаимодействия с мюонами, более тяжелыми родственниками электронов. Если ученые обнаружат необычно большое количество пар мюонов с противоположным зарядом после столкновений электронов и позитронов, а также неожиданные отклонения в сохранении энергии и импульса, это будет важным показателем Z-бозона. Тем не менее, новые данные Belle II еще не дали никаких указаний на эту частицу. Но с помощью новых данных ученые могут ограничить массу и силу сцепления Z-бозона с недостижимой ранее точностью.

Эти первоначальные результаты получены в результате анализа небольшого количества данных, собранных на этапе запуска SuperKEKB в 2018 году. Belle II полностью заработал 25 марта 2019 года. С тех пор в ходе эксперимента проводился сбор данных при непрерывном улучшении скорость столкновения электронов и позитронов. Как только эксперимент будет полностью настроен, он предоставит значительно больше данных, чем в недавно опубликованных анализах. Таким образом, физики надеются получить новое понимание природы темной материи и других вопросов без ответа.