Jak ukryte symetrie i słabe oddziaływania kształtują neutrina i ciemną materię?
Projekt HIDDeN(odnośnik otworzy się w nowym oknie), realizowany przy wsparciu działań „Maria Skłodowska-Curie”, miał na celu odkrycie, w jaki sposób natura działa na swoim najbardziej podstawowym poziomie. Badania koncentrowały się na niewidzialnych elementach budulcowych wszechświata, czyli neutrinach i ciemnej materii, a także na odkrywaniu ukrytych (a)symetrii rządzących tymi cząstkami. „Ostatecznym celem projektu HIDDeN było odkrycie ukrytych aspektów wszechświata – zrozumienie, dlaczego neutrina mają masę, czym jest ciemna materia oraz skąd wynika brak równowagi między barionami (materią) a antybarionami (antymaterią). Te odkrycia mogą przyczynić się do powstania nowej, rozszerzonej wersji modelu standardowego”, zauważa koordynatorka projektu Silvia Pascoli.
Rola neutrin w kosmicznych zagadkach
Projekt HIDDeN wniósł istotny wkład do ogólnoświatowych badań nad powiązaniem neutrin z nową fizyką. W rezultacie podjęto szereg istotnych eksperymentów mających na celu zbadanie masy neutrin, sposobu, w jaki zmieniają one typ (mieszanie), a także różnic między neutrinami i antyneutrinami (łamanie symetrii CP) – zjawisk mogących wyjaśnić, dlaczego wszechświat ma więcej materii niż antymaterii. Projekt HIDDeN odegrał również kluczową rolę w poszukiwaniach podwójnych bezneutrinowych rozpadów beta i miał na celu wykazanie, czy neutrina są swoimi własnymi antycząstkami. „Jeśli udałoby się to udowodnić, oznaczałoby to złamanie podstawowej zasady zachowania liczby leptonowej i przyczyniłoby się do zrozumienia, skąd neutrina biorą swoją masę”, wyjaśnia Pascoli. „Badaliśmy rozszerzenia modelu standardowego, aby uwzględnić masy neutrin, skupiając się na ukrytych symetriach i powiązaniach z innymi otwartymi problemami fizyki”, stwierdza Pascoli. „Ponadto przeanalizowaliśmy dane eksperymentalne, aby doprecyzować ograniczenia dotyczące parametrów oscylacji neutrin, co pozwoliło nam uzyskać nowe informacje na temat mas neutrin i ich mieszania”. Zespół zaktualizował również ograniczenia dotyczące ciężkich i bardzo lekkich neutrin sterylnych, próbując ustalić, czy neutrina mogą być portalem do fizyki ciemnego sektora.
Obiecujący kandydaci na ciemną materię
Badacze z projektu HIDDeN poczynili również znaczące postępy w poszukiwaniach ciemnej materii. Bezpośrednie poszukiwania tej niewykrywalnej masy za pomocą zwykłych metod, w których wiodącą rolę odegrał projekt HIDDeN, wkraczają w nową erę wraz z rozwojem detektorów ksenonowych w skali tonowej. „Chociaż kiedyś głównym przedmiotem zainteresowania były słabo oddziałujące masywne cząstki (WIMP), rygorystyczne ograniczenia eksperymentalne przesunęły uwagę badaczy w stronę innych kandydatów na ciemną materię w całym zakresie skal mas”, podkreśla Pascoli. „Na przykład coraz większym zainteresowaniem cieszy się ciemna materia aksjonowa, a nowe eksperymenty mają znacznie poprawić jej czułość”. Ponadto intensywnie badane są modele uwzględniające ukryte oddziaływania lub „zamrożoną” ciemną materię, które opierają się na niezwykle słabych oddziaływaniach. „Zaproponowaliśmy nowe wyjaśnienia dotyczące obfitości ciemnej materii, wykorzystując aksjony i zaawansowaną teorię pola efektywnego dla cząstek przypominających aksjony, co pozwoli na dokładniejszą interpretację danych eksperymentalnych i identyfikację nowych sygnałów”, dodaje Pascoli. Badacze przeanalizowali również, czy interakcje słabo oddziałujących masywnych cząstek (FIMP) mogą mieć podłoże grawitacyjne, oraz doprecyzowali ograniczenia dotyczące modeli ciemnej materii zbliżonych do WIMP.
Zderzacz poszukuje ukrytych cząstek
Projekt HIDDeN rozszerzył swoje działania na poszukiwania prowadzone przy użyciu akceleratorów cząstek, koncentrując się na nowej fizyce związanej z masami neutrin, problemem silnego CP oraz ciemną materią. Zespół zoptymalizował analizy w celu wykrycia FIMP o energii poniżej TeV, które często pozostają niezauważone ze względu na ich długi czas życia i subtelne sygnały. Przeprowadzono również badania nad przemieszczonymi sygnałami, natomiast lżejszych kandydatów FIMP, w tym aksjony, ciemne fotony i ciężkie sterylne neutrina, poddano badaniom z wykorzystaniem obserwacji astrofizycznych i kosmologicznych. „Zderzacze odgrywają kluczową rolę w badaniu fizyki na dużą skalę. Skuteczne narzędzia teorii pola, takie jak SMEFT, pomagają analizować odchylenia od modelu standardowego, na przykład anomalie smaku, podczas gdy zderzacze mogą bezpośrednio generować FIMP w mniejszych skalach. Projekt HIDDeN rozwija zarówno podejście teoretyczne, jak i eksperymentalne, aby odkryć te trudne do uchwycenia cząstki”, podsumowuje Pascoli.
