Ученые JGU в Майнце нашли новый способ поиска темной материи через молекулы BaF

На протяжении десятилетий физики элементарных частиц и астрофизики продолжают искать частицы темной материи, составляющей значительную часть Вселенной. Новое исследование ученых Университета имени Иоганна Гутенберга в Майнце (JGU), Института имени Гельмгольца в Майнце (HIM) и кластера передового опыта PRISMA++ предлагает новый подход к изучению ранее неисследованных кандидатов в темную материю и гипотетических частиц, не входящих в Стандартную модель физики элементарных частиц.

Работа выполнена под руководством младшего научного руководителя группы доктора Константина Гауля, доктора Лей Конга и профессора доктора Дмитрия Будкера. Исследование показывает, что частицы темной материи могут выступать посредниками во взаимодействиях между электронами и атомными ядрами.

В основе анализа лежат точные измерения молекул монофторида бария (BaF). На их основе ученые впервые смогли определить возможное влияние так называемых Z-бозонов — гипотетических частиц, которые в ряде расширений Стандартной модели рассматриваются как переносчики слабого взаимодействия и потенциальные медиаторы темной материи.

«Эти результаты заполняют существенный пробел в нашем понимании физики: область взаимодействий электронов и ядер, которая еще не была исследована ни лабораторными экспериментами, ни космологическими данными», — объяснил доктор Константин Гауль.

По современным оценкам, обычная видимая материя составляет около 4% Вселенной, включая звезды, планеты и все известные объекты. Остальная часть приходится на темную материю и темную энергию, при этом на долю темной материи приходится примерно 23%. Несмотря на многочисленные наблюдательные подтверждения ее существования, природа частиц темной материи до сих пор не установлена.

Для анализа вклада Z-бозонов в тонкие эффекты взаимодействия электронов и ядер, приводящие к сверхтонкой структуре атомов, исследователи использовали суперкомпьютер MOGON 2 в Майнце. Он позволил переосмыслить результаты высокоточных измерений на молекулах BaF. Работа потребовала сочетания знаний в области слабого взаимодействия, физики частиц и ядерной физики, а также молекулярной и атомной физики, что придало проекту междисциплинарный характер.

Профессор доктор Дмитрий Будкер отметил, что участие теоретиков нового поколения в составе преимущественно экспериментальной группы Института имени Гельмгольца и программы PRISMA++ стало важным фактором получения результатов.

Исследователи считают, что молекулярные системы могут стать перспективным инструментом поиска «новой физики». По словам Константина Гауля, внутренняя структура полярных молекул усиливает слабые физические эффекты, что делает их удобной лабораторией для поиска новых взаимодействий, которые ранее оставались недоступны для наблюдений.

Дополнительно ученые сопоставили результаты с данными экспериментов на атоме цезия-133. В отличие от традиционных атомных подходов, анализ двуатомных молекул, таких как BaF, не зависит напрямую от ядерной теории, что снижает влияние неопределенностей и повышает точность результатов.

По оценке исследователей, будущие эксперименты с тяжелыми двуатомными молекулами могут увеличить чувствительность методов поиска новых сил примерно в 100 раз, что позволит глубже исследовать скрытые физические взаимодействия во Вселенной.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Читайте также: