Исследователи обнаружили, что эксперимент MUonE в ЦЕРН, предназначенный для изучения свойств мюонов, может помочь в поиске тёмной материи — вещества, составляющего четверть Вселенной. Новое исследование показывает, что существующая установка способна регистрировать редкие события, свидетельствующие о взаимодействии с невидимыми частицами, без доработок.
Столкновение мюонов с ядрами бериллия в мишени эксперимента может порождать пары частиц тёмной материи с различными массами. Более массивная частица быстро распадается на менее массивную (невидимую) и пару заряженных частиц — электронов или мюонов. Эти частицы оставляют следы в детекторе, формируя двойные треки, смещённые от точки столкновения.
Электромагнитный калориметр (ECAL) выполняет ключевую функцию, фильтруя ложные сигналы. Он может идентифицировать первичный мюон и блокировать события с энергией, не связанной с распадом темной материи. Точность измерений углов (до 0,02 миллираdian) позволяет отделять интересующие события от фоновых процессов, практически отсутствующих в MUonE благодаря строгим критериям отбора: энергия частиц выше 5 ГэВ, угол между треками больше 1 миллирадиана, смещённая точка распада в определённой зоне.
Этот подход обладает преимуществом двойного применения установки: помимо изучения магнитного момента мюона эксперимент сможет охватывать модели темной материи, где ее космическая распространенность связана с параметрами, измеряемыми в лаборатории. Успех зависит от сохранения ECAL в финальной конфигурации – авторы уверены, что без этого компонента чувствительность к темной материи значительно снизится.
Подтверждение метода позволит MUonE в течение нескольких лет проверять гипотезы о природе темной материи с массой до 1 ГэВ.