31 мая 2022

ЦЕРН и ОИЯИ продолжают эксперименты по исследованию природы тёмной материи

Программа исследований по поиску легкой темной материи на выведенных вторичных пучках ускорителя SPS была одобрена и принята к реализации ЦЕРН в 2016 году, получив имя NA64. Группа ОИЯИ, участвовавшая в разработке предложения и физической мотивации эксперимента, взяла на себя ответственность за разработку и создание координатных детекторов на основе тонкостенных дрейфовых трубок, созданных по технологии «straw».

В сеансах 2016-2018 годов на электронном пучке ускорителя SPS ЦЕРН проводился поиск сигнала рождения и распада темного фотона A´ и легкой темной материи. Суммарная статистика составила ~ 4 · 1011 событий. В 2017-2018 гг. сеансы также частично были посвящены поиску гипотетического бозона с массой 16,7 МэВ, существование которого могло бы объяснить результат по аномальному рождению e+e— пар в распаде возбужденного состояния 8Be* в стабильное, полученный в эксперименте ATOMKI. Было набрано 8,4 · 1010 событий. Полученные данные позволили существенно увеличить ограничения на вероятность его рождения, дополнив результаты других исследовательских групп.

По результатам 2019 года эксперимент NA64 был отмечен генеральным директором ЦЕРН как один из наиболее интересных и многообещающих с научной точки зрения проектов, реализуемых в Лаборатории. В 2020 году руководством ЦЕРН было принято решение о выделении эксперименту постоянного места на вторичном электронном канале ускорителя SPS, РРЕ114 (Н4В), и о расширении программы исследований – создании установки и наборе данных на мюонном пучке ускорителя, которые могли бы внести существенный вклад в разрешение (g-2)μ проблемы аномального магнитного момента мюона.

В период остановки ускорителей ЦЕРН в 2020-2021 гг. были изготовлены новые детекторы для работы как на электронном, так и на мюонном пучках ускорителя, в том числе: детектор синхротронного излучения (SRD), вольфрамовый калориметр-мишень, электромагнитный и адронный калориметры, вето-калориметры и калориметр нулевого угла, новые трековые детекторы из строу-трубок большой площади. Модернизация установки была проведена при поддержке целевого гранта Российской Федерации и финансовом участии ОИЯИ.

В 2021 году, после возобновления работы ускорителей ЦЕРН, эксперимент NA64 был продолжен, несмотря на нестабильную работу ускорителя, стартовавшего после длительного перерыва, на пучке электронов было зарегистрировано 7 · 1010 событий. А в период с 28 октября по 18 ноября состоялся тестовый сеанс на мюонном пучке ускорителя SPS, в ходе которого группой ОИЯИ были введены в эксплуатацию новые станции строу-детекторов большого размера, работающие совместно с адронными калориметрами. Анализ полученных результатов тестового сеанса показал, что для эффективной работы установки ее трековую систему, построенную на базе детекторов Micromegas и GEM, необходимо дополнить несколькими станциями детекторов большего эффективного размера, разместив их на базе около 100 метров от входа в канал установки до ее мишени. Было предложено использовать для этого часть строу-детекторов размером 20х20 см2, созданных для работы на электронном пучке. В апреле группой сотрудников ОИЯИ на канале М2 была создана требуемая для реализации данного предложения газовая и оптико-волоконная инфраструктуры, подготовлена система питания, проведен монтаж и включение в систему сбора данных установки дополнительных четырех строу-станций.

Трехнедельный сеанс эксперимента NA64 на мюонном пучке в канале М2 SPS завершился 16 мая. Несмотря на проблемы с магнитной системой ускорителя SPS, устранение которых привело к потере более половины времени набора данных, из-за чего коллаборации пришлось внести изменения в программу, сеанс можно считать успешным. Было набрано ~4 · 1010 событий, что составило около 80% от планируемой статистики. Установка отработала стабильно, модернизированная трековая система на основе строу-детекторов Дубны позволила устранить выявленные ранее проблемы, контролировать структуру пучка и оптимизировать триггер.

Во второй половине июля запланировано начало десятинедельного сеанса NA64 на пучке электронов. Будет продолжен набор статистики по поиску легкой темной материи в невидимой моде распада темного фотона. Интернациональный коллектив коллаборации, представляющий американский континент, страны ЕС, ведущие институты и университеты России, Беларуси и ОИЯИ, активно занят обработкой полученных данных и подготовкой к предстоящему сеансу.