Эксперимент в ЦЕРН превратили в детектор тёмной материи: установка MUonE обнаружила скрытый потенциал для поиска неуловимых частиц

Учёные обнаружили, что эксперимент MUonE в ЦЕРН, изначально созданный для изучения свойств мюонов, может стать ключом к обнаружению тёмной материи — таинственной субстанции, составляющей четверть Вселенной. Новое исследование показывает, что существующая установка способна фиксировать редкие события, указывающие на взаимодействие с невидимыми частицами, без необходимости модификаций.

Когда мюоны сталкиваются с ядрами бериллия в мишени эксперимента, могут рождаться пары частиц тёмной материи с разными массами. Более тяжёлая частица быстро распадается на лёгкую (которая остаётся невидимой) и пару заряженных частиц — электронов или мюонов. Эти частицы оставляют следы в детекторе, образуя характерные двойные треки, смещённые относительно точки столкновения.

Ключевую роль играет электромагнитный калориметр (ECAL) — он действует как фильтр, отсеивая ложные сигналы. Например, он идентифицирует первичный мюон и блокирует события с посторонней энергией, не связанной с распадами тёмной материи. Точность измерений углов (до 0,02 миллирадиана) позволяет отделять искомые события от фоновых процессов, которые в MUonE практически отсутствуют благодаря строгим критериям отбора: энергия частиц выше 5 ГэВ, угол между треками больше 1 миллирадиана, смещённая точка распада в определённой зоне.

Преимущество подхода — двойное применение установки: помимо изучения магнитного момента мюона, эксперимент теперь может охватывать модели тёмной материи, где её космическая распространённость связана с параметрами, измеряемыми в лаборатории. Успех зависит от сохранения ECAL в финальной конфигурации — авторы настаивают, что без этого компонента чувствительность к тёмной материи значительно снизится.

Если метод подтвердится, то MUonE сможет в течение нескольких лет проверить гипотезы о природе тёмной материи с массами ниже 1 ГэВ.

 Источник: Physical Review Letters