Австралийский физик Дэниел Маркантонио из Мельбурнского университета выкатил новую работу в Physical Review Letters, которая заставила хихикать теоретиков и плакать сторонников суперсимметрии. Коротко: они ничего не нашли. Но когда физики говорят «ничего», это значит «мы только что закрыли целый зоопарк гипотетических частиц».
Поймать за хвост невидимку
Речь про так называемые FIP (feebly interacting particles) — слабо взаимодействующие частицы. Это кандидаты на роль тёмной материи, которые почти не отсвечивают в детекторах. Идея простая: если B-мезон (тяжёлый мезон с b-кварком) распадается, он может породить невидимую частицу X(inv). Она улетит, унеся энергию, а учёные увидят «дефицит» в балансе.
Данные брали с эксперимента Belle на ускорителе KEK в Японии. Там сталкивали электроны с позитронами и накопили 711 обратных фемтобарн данных — это больше 770 миллионов пар B-мезонов. Техника восстановления событий использовалась зверская: Full Event Interpretation (FEI) перебирает тысячи возможных сигналов, чтобы точно зафиксировать кинематику столкновения. А для подавления шума прикрутили градиентный бустинг (BDT). Да, те же алгоритмы, что рекомендуют тебе рекламу, теперь ищут тёмную материю.
Пять каналов — три из них девственные
Исследовали пять каналов распада B-мезонов. Три из них ранее вообще никто напрямую не щупал. Это первый систематический обзор такого класса процессов. И во всех пяти — тишина. Никаких статистических пиков, никаких отклонений от Стандартной модели.
Но отсутствие сигнала — это полноценный результат. На уровне доверительной вероятности 90% учёные установили самые жёсткие на сегодня верхние пределы на вероятность таких распадов. Другими словами, если бы невидимая частица существовала и взаимодействовала достаточно сильно — она бы уже проявилась. Раз не проявилась — её либо нет, либо она прячется в микроскопической щели.
Почему это важно для тёмной материи?
Эти ограничения напрямую переводятся в пределы на силу связи гипотетических частиц с обычной материей. Под раздачу попали аксионоподобные частицы, кандидаты из тёмного сектора и модели суперсимметрии. Особенно жирно закрыли области с очарованными мезонами — впервые в мире получили прямые ограничения для этих каналов.
Раньше там были «белые пятна» — зоны параметров, где теоретики могли спекулировать. Теперь пятен нет. Пространство поиска сжалось до узких областей, связанных с резонансными состояниями чармония и D-мезонов, где сигнал практически неотделим от фона.
И да, это накладывается на текущие результаты Belle и Belle II, где наблюдаются отдельные напряжения в редких распадах. Напряжения — это когда цифры чуть-чуть не сходятся с теорией, но до открытия ещё пахать и пахать. В общем, эксперименты Belle потихоньку превращают поиск тёмной материи из гадания на кофейной гуще в точную науку.