В мире физики бытует твердое убеждение, что темная материя существует и заполняет Вселенную, несмотря на то, что все эксперименты по поиску гипотетических частиц, которые могли бы составлять эту невидимую форму материи, до сих пор не увенчались успехом. В свете этих нулевых результатов исследователи переключились на изучение более широкого круга вопросов: как можно больше типов частиц, новые области, в которых частицы могут быть скрыты, и новые способы их зондирования. Сотрудничество в эксперименте NA64 также расширило сферу своих интересов включив в него поиски аксионов и аксионоподобных частиц – гипотетических частиц, которые могли бы опосредовать взаимодействие между темной материей и видимой материей или составлять саму темную материю.
Эксперимент NA64 начал работать в CERN в 2016 году. Он представляет собой beam-dump (эксперимент с полным поглощением пучка) с активной мишенью, в основном для поиска частиц тёмной материи в невидимой моде. Ведущую роль в эсперименте играют учёные из Института ядерных исследований РАН, Институт физики высоких энергий (Протвино), Обьединенного Института ядерных исследований (Дубна). Участвуют также учёные из 14 других российских и зарубежных институтов и университетов включая CERN. Руководит экспериментом Сергей Гниненко (ИЯИ РАН). Основные детекторы NA64 изготовлены в России, часть партнерами из ETH (Цюрих) и других институтов. По результатам эксперимента опубликовано 6 экспериментальных и несколько теоретических статей в основном в таких ведущих журналах так Phyical Review Letters, Phyical Review D и Physics Letters B.
Изначально аксион был предложен теоретиками Peccei и Quinn как гипотетическая частица, возникающая в результате спонтанного нарушения некой симметрии и служащая для решения проблемы сильного CP-нарушения в сильных взаимодействиях. В настоящее время эта частица возникает во многих моделях, таких как суперсимметрия, а её свойства, в частности масса, могут варьироваться в более широких пределах, чем в первоначальных моделях с аксионом, отсюда и название – аксионоподобные или сокращенно ALP.
«Мы очень рады, что NA64 стал в ряд экспериментов, "охотящихся" за аксионами и ALP, которые являются кандидатами на роль посредника между видимой и темной материей, – говорит руководитель коллаборации NA64 Сергей Гниненко. – Мало-помалу наши эксперименты сужают диапазон, в котором возможно существуют эти частицы, и, не исключено, что вскоре мы все-таки найдем их».
Команда NA64 нацелилась на неисследованную область для аксионов и ALP – разрыв в двумерной области возможных значений их массы и силы взаимодействия с парой фотонов. Существование аксионов в этой области параметров могло бы объяснить загадочные свойства симметрии сильного взаимодействия (то, для чего они и были первоначально предложены), а обнаружение аксионоподобных частиц могло бы свидетельствовать о наличии нового взаимодействия между темной материей и видимой материей.
Для того, чтобы исследовать этот промежуток, NA64 использовала пучок электронов с энергией 100 ГэВ от супер-протонного синхротрона (SPS) CERN, направленный на фиксированную мишень. Оcновная идея рождения частиц ALP в эксперименте NA64 заключалась в использовании реакции взаимодействия фотонов высокой энергии, которые возникают при поглощении пучка электронов в мишени с фотонами поля ядер этой же мишени. ALP обладает высокой проникающей способностью и может вылетать из установки без взаимодействия, унося значительную долю энергии пучка. Такие события характеризуются большой «недостающей энергией». Другой тип событий характеризуется тем, что ALP все-таки успевает распадаться на электрон-позитронную или фотонную пару, которая может быть зарегистрирована в установке NA64.
Поиск этих двух типов событий был осуществлён NA64 в сеансах на ускорителе SPS CERN в 2016-2018 годах. В течение 2019 года производился анализ полученных данных, соответствующих примерно 300 миллиардам электронов, достигших мишени. Ученые проанализировали эти данные и пока не нашла признаков существования аксионов или аксионоподобных частиц, что позволило установить пределы допустимых значений интенсивности их взаимодействия с двумя фотонами для масс частиц ниже 55 МэВ и опубликовать полученные результаты в Physical Review Letters.
