Ciemny foton. Poszukiwanie niewidzialnego

Foton to elementarna cząstka związana ze światłem. Jednak przez około dekadę niektórzy naukowcy wierzyli, że istnieje coś, co nazywają ciemnym lub ciemnym fotonem. Dla zwykłego człowieka takie sformułowanie wydaje się samo w sobie sprzecznością. Dla fizyków ma to sens, bo ich zdaniem prowadzi do rozwikłania zagadki ciemnej materii.

Nowe analizy danych z eksperymentów akceleratorowych, głównie wyników Detektor BaBarpokaż mi gdzie ciemny foton nie jest ukryty, tj. wyklucza strefy, w których nie został znaleziony. Eksperyment BaBar, prowadzony w latach 1999-2008 w SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) w Menlo Park w Kalifornii, zebrał dane z zderzenia elektronów z pozytonami, dodatnio naładowane antycząstki elektronowe. Główna część eksperymentu, zwana PKP-II, został przeprowadzony we współpracy z SLAC, Berkeley Lab i Lawrence Livermore National Laboratory. Ponad 630 fizyków z trzynastu krajów współpracowało przy BaBar w szczytowym momencie.

Najnowsza analiza wykorzystała około 10% danych BaBar zarejestrowanych w ciągu ostatnich dwóch lat jego działalności. Badania skupiły się na znalezieniu cząstek nieuwzględnionych w Modelu Standardowym fizyki. Wynikowy wykres pokazuje obszar poszukiwań (zielony) zbadany w analizie danych BaBar, gdzie nie znaleziono ciemnych fotonów. Wykres pokazuje również obszary wyszukiwania dla innych eksperymentów. Czerwony pasek pokazuje obszar do sprawdzenia, czy ciemne fotony powodują tzw anomalia g-2a białe pola pozostały niezbadane pod kątem obecności ciemnych fotonów. Wykres uwzględnia również eksperyment NA64wykonane w CERN.

Zdjęcie. Maksymilian Bris/CERN

Podobnie jak zwykły foton, ciemny foton przenosi siłę elektromagnetyczną między cząsteczkami ciemnej materii. Może również wykazywać potencjalnie słabe wiązanie ze zwykłą materią, co oznacza, że ​​ciemne fotony mogą być wytwarzane w zderzeniach wysokoenergetycznych. W poprzednich poszukiwaniach nie udało się znaleźć jego śladów, ale ogólnie zakłada się, że ciemne fotony rozpadają się na elektrony lub inne widoczne cząstki.

W ramach nowych badań w BaBar rozważano scenariusz, w którym czarny foton powstaje jak zwykły foton w zderzeniu elektron-pozyton, a następnie rozpada się na ciemne cząstki materii niewidoczne dla detektora. W takim przypadku możliwe byłoby wykrycie tylko jednej cząstki – zwykłego fotonu niosącego określoną energię. Zespół szukał więc konkretnych zdarzeń energetycznych, które pasowałyby do masy ciemnego fotonu. Nie znalazł takiego trafienia w masach 8 GeV.

Jurij Kolomensky, fizyk jądrowy z Berkeley Lab i członek Wydziału Fizyki Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, powiedział w komunikacie prasowym, że „sygnatura ciemnego fotonu w detektorze będzie tak prosta, jak jeden foton energii i brak innej aktywności." Pojedynczy foton wyemitowany przez cząstkę wiązki sygnalizowałby, że elektron zderzył się z pozytonem i że niewidzialny ciemny foton rozpadł się na ciemne cząstki materii, niewidoczne dla detektora, ujawniające się przy braku jakiejkolwiek innej towarzyszącej energii.

Postuluje się również, że ciemny foton wyjaśnia rozbieżność między obserwowanymi właściwościami spinu mionu a wartością przewidywaną przez Model Standardowy. Celem jest zmierzenie tej właściwości z najlepszą znaną dokładnością. eksperyment mionowy g-2przeprowadzone w Narodowym Laboratorium Akceleratora Fermi. Jak powiedział Kolomensky, ostatnie analizy wyników eksperymentu BaBar w dużej mierze „wykluczają możliwość wyjaśnienia anomalii g-2 w kategoriach ciemnych fotonów, ale oznacza to również, że coś innego napędza anomalię g-2”.

Ciemny foton został po raz pierwszy zaproponowany w 2008 roku przez Lottie Ackerman, Matthew R. Buckleya, Seana M. Carrolla i Marka Kamionkowskiego w celu wyjaśnienia „anomalii g-2” w eksperymencie E821 w Brookhaven National Laboratory.

ciemny portal

Wspomniany wcześniej eksperyment CERN NA64, przeprowadzony w ostatnich latach, również nie wykrył zjawisk towarzyszących ciemnym fotonom. Jak donosi artykuł w "Physical Review Letters", po przeanalizowaniu danych fizycy z Genewy nie mogli znaleźć ciemnych fotonów o masach od 10 GeV do 70 GeV.

Jednak komentując te wyniki, James Beecham z eksperymentu ATLAS wyraził nadzieję, że pierwsza porażka zachęci rywalizujące zespoły ATLAS i CMS do dalszych poszukiwań.

Beecham skomentował w Physical Review Letters. -

Nazywa się eksperyment podobny do BaBar w Japonii Dzwon IIktóry ma dać sto razy więcej danych niż BaBar.

Zgodnie z hipotezą naukowców z Institute of Basic Sciences w Korei Południowej, nawiedzającą tajemnicę związku między zwykłą materią a ciemnością można wyjaśnić za pomocą modelu portalu znanego jako „ciemny portal aksjonowy ». Opiera się na dwóch hipotetycznych cząstkach ciemnego sektora, aksjonie i ciemnym fotonie. Portal, jak sama nazwa wskazuje, jest przejściem między ciemną materią a nieznaną fizyką i tym, co wiemy i rozumiemy. Połączenie tych dwóch światów to ciemny foton, który znajduje się po drugiej stronie, ale fizycy twierdzą, że można go wykryć za pomocą naszych instrumentów.

Film o eksperymencie NA64:

Polowanie na tajemniczy ciemny foton: eksperyment NA64