Mørkt foton. På jakt etter det usynlige

Et foton er en elementær partikkel assosiert med lys. Men i omtrent et tiår trodde noen forskere at det fantes det de kaller et mørkt eller mørkt foton. For en vanlig person ser en slik formulering ut til å være en selvmotsigelse. For fysikere gir dette mening, fordi det etter deres mening fører til å avdekke mysteriet med mørk materie.

Nye analyser av data fra akseleratoreksperimenter, hovedsakelig resultater BaBar detektorvis meg hvor mørkt foton den er ikke skjult, dvs. den ekskluderer soner der den ikke ble funnet. BaBar-eksperimentet, som gikk fra 1999 til 2008 ved SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) i Menlo Park, California, samlet inn data fra kollisjoner av elektroner med positroner, positivt ladede elektron-antipartikler. Hoveddelen av eksperimentet, kalt PKP-II, ble utført i samarbeid med SLAC, Berkeley Lab og Lawrence Livermore National Laboratory. Over 630 fysikere fra tretten land samarbeidet om BaBar på topp.

Den siste analysen brukte omtrent 10 % av BaBars data registrert i de to siste driftsårene. Forskning har fokusert på å finne partikler som ikke er inkludert i standardmodellen for fysikk. Det resulterende plottet viser søkeområdet (grønt) utforsket i BaBar-dataanalyse der ingen mørke fotoner ble funnet. Grafen viser også søkeområder for andre eksperimenter. Den røde linjen viser området for å sjekke om mørke fotoner forårsaker såkalte g-2 anomaliog de hvite feltene forble uundersøkt for tilstedeværelsen av mørke fotoner. Diagrammet tar også hensyn eksperiment NA64laget ved CERN.

Et foto. Maximilian Bris/CERN

Som et vanlig foton vil et mørkt foton overføre elektromagnetisk kraft mellom mørk materiepartikler. Det kan også vise en potensielt svak binding til vanlig materie, noe som betyr at mørke fotoner kan produseres i høyenergikollisjoner. Tidligere søk har ikke klart å finne spor av det, men mørke fotoner har generelt blitt antatt å forfalle til elektroner eller andre synlige partikler.

For en ny studie ved BaBar ble det vurdert et scenario der et svart foton dannes som et vanlig foton i en elektron-positron-kollisjon, og deretter forfaller til mørke partikler av materie som er usynlige for detektoren. I dette tilfellet kunne bare én partikkel oppdages - et vanlig foton som bærer en viss mengde energi. Så teamet så etter spesifikke energihendelser som matchet massen til det mørke fotonet. Han fant ikke et slikt treff på 8 GeV-massene.

Yuri Kolomensky, en kjernefysiker ved Berkeley Lab og medlem av Institutt for fysikk ved University of California, Berkeley, sa i en pressemelding at "signaturen til et mørkt foton i detektoren vil være så enkelt som en høy- energifoton og ingen annen aktivitet." Et enkelt foton sendt ut av en strålepartikkel ville signalisere at et elektron kolliderte med et positron og at det usynlige mørke fotonet hadde forfalt til mørke partikler av materie, usynlige for detektoren, og manifesterte seg i fravær av annen medfølgende energi.

Det mørke fotonet er også postulert for å forklare avviket mellom de observerte egenskapene til myonspinnet og verdien forutsagt av standardmodellen. Målet er å måle denne egenskapen med best kjente nøyaktighet. myon eksperiment g-2utført ved Fermi National Accelerator Laboratory. Som Kolomensky sa, utelukker nylige analyser av resultatene av BaBar-eksperimentet i stor grad muligheten for å forklare g-2-anomalien i form av mørke fotoner, men det betyr også at noe annet driver g-2-anomalien.

Det mørke fotonet ble først foreslått i 2008 av Lottie Ackerman, Matthew R. Buckley, Sean M. Carroll og Mark Kamionkowski for å forklare "g-2-anomalien" i E821-eksperimentet ved Brookhaven National Laboratory.

mørk portal

Det nevnte CERN-eksperimentet kalt NA64, utført de siste årene, klarte heller ikke å oppdage fenomenene som fulgte med mørke fotoner. Som rapportert i en artikkel i "Physical Review Letters", etter å ha analysert dataene, kunne fysikere fra Genève ikke finne mørke fotoner med masser fra 10 GeV til 70 GeV.

I en kommentar til disse resultatene uttrykte James Beecham fra ATLAS-eksperimentet imidlertid håp om at den første fiaskoen ville oppmuntre de konkurrerende ATLAS- og CMS-teamene til å fortsette å lete.

Beecham kommenterte i Physical Review Letters. -

Et eksperiment som ligner på BaBar i Japan kalles Bell IIsom forventes å gi hundre ganger mer data enn BaBar.

I følge hypotesen til forskere fra Institute of Basic Sciences i Sør-Korea, kan det hjemsøkende mysteriet om forholdet mellom vanlig materie og mørke forklares ved å bruke en portalmodell kjent som "mørk axion portal ». Den er basert på to hypotetiske mørke sektorpartikler, aksionen og det mørke fotonet. Portalen er, som navnet antyder, en overgang mellom mørk materie og ukjent fysikk og det vi vet og forstår. Å forbinde disse to verdenene er et mørkt foton som er på den andre siden, men fysikere sier at det kan oppdages med instrumentene våre.

Video om NA64-eksperimentet:

På jakt etter det mystiske mørke fotonet: NA64-eksperimentet