IS IT POSSIBLE TO DISCOVER A DARK MATTER PARTICLE WITH AN ACCELERATOR?

摘要

The paper contains description of the main properties of the galactic dark matter (DM) particles, available approaches for detection of DM, main features of direct DM detection, ways to estimate prospects for the DM detection, the first collider search for a DM candidate within an Effective Field Theory (EFT), a complete review of ATLAS results of the DM candidate search with LHC Run I, and a less complete review of "exotic" dark particle searches with other accelerators and not only. From these considerations it follows that one is unable to prove, especially model-independently, a discovery of a DM particle with an accelerator or a collider. One can only obtain evidence of existence of a weakly interacting neutral particle, which could be or could not be the DM candidate. The current LHC DM search program uses only the missing transverse energy signature. Non-observation of any excess above Standard Model expectations forces the LHC experiments to enter into the same fighting for the best exclusion curve, in which (almost) all direct and indirect DM search experiments permanently take place. But this fighting has very little (almost nothing) to do with a real possibility of discovering a DM particle. The true DM particles possess an exclusive galactic signature — annual modulation of a signal, which is accessible today only for direct DM detection experiments. There is no way for it with a collider or an accelerator. Therefore, to prove the DM nature of a collider-discovered candidate, one must find the candidate in a direct DM experiment and demonstrate the galactic signature for the candidate. Furthermore, being observed, the DM particle must be implemented into a modem theoretical framework. The best candidate is the supersymmetry, which looks today inevitable for coherent interpretation of all available DM data.%В работе содержится последовательное описание характерных свойств частиц галактической темной материи (Dark Matter, DM), возможных путей детектирования этих частиц, метода прямого детектирования DM в наземных условиях, подходов к оценке различных возможностей детектирования DM, первых попыток поиска частиц DM на коллайдерах в рамках эффективной теории поля, а также полный обзор результатов коллаборации ATLAS по поиску возможных кандидатов на роль DM на LHC (Run Ⅰ) и, наконец, несколько менее полный обзор поиска «экзотических» частиц темной материи на других ускорителях. На основе этого обсуждения показано, что невозможно доказать, особенно мо-дельно-независимым способом, что имеет место факт обнаружения частицы DM на ускорителе или коллайдере. Единственное, что можно утверждать, так это то, что имеет место регистрация нейтральной слабовзаимодействующей (массивной) частицы, которая может быть, а может и не быть кандидатом на роль частицы DM. Текущая программа поиска DM на LHC фактически базируется на изучении только событий с сигнатурой потерянной (или недостающей) поперечной энергии. Ненаблюдение (в том числе в данной совокупности событий) какого-либо превышения над ожиданиями Стандартной модели вынуждает все эксперименты по поиску DM на LHC вступать в соревнование на предмет получения наилучшей кривой исключения (exclusion curve), в котором уже длительное время принимают участие практически все эксперименты, нацеленные на прямой и косвенный поиск DM в наземных условиях. Однако это соревнование, к сожалению, имеет очень мало общего с реальной возможностью обнаружения частиц DM. Настоящие частицы DM обладают эксклюзивной галактической сигнатурой - годовой модуляцией сигнала, которая сегодня достижима только в экспериментах по прямому детектированию DM. Эту сигнатуру никак нельзя обнаружить с помощью коллайдера или ускорителя. Поэтому для доказательства принадлежности обнаруженного (если такое случится) на коллайдере DM-кандидата к числу настоящих частиц DM обязательно необходимо зарегистрировать его в эксперименте по прямому детектированию DM и продемонстрировать его галактическую сущность. Более того, будучи зарегистрированной, это частица DM должна будет найти себе место в рамках некоторой (новой, за рамками СМ) теоретической концепции. На сегодня наилучшей такой концепцией представляется концепция суперсимметрии, которой пока нет адекватной альтернативы с точки зрения когерентного описания всех данных по поиску частиц темной материи.