Чорний фотон. Пошук невидимого

Фотон це елементарна частка, пов'язана зі світлом. Проте близько десяти років деякі вчені вважали, що є те, що вони називають темним або темним фотоном. Звичайній людині таке формулювання здається протиріччям саме собою. Для фізиків це має сенс, оскільки, на думку, веде до розгадці таємниці темної матерії.

Нові аналізи даних експериментів на прискорювачах, переважно результати Детектор BaBarпокажи де темний фотон він не ховається, тобто виключає зони, в яких не був виявлений. Експеримент BaBar, який проводився з 1999 по 2008 рік у SLAC (Стенфордський центр лінійних прискорювачів) у Менло-Парку, Каліфорнія, збирав дані з зіткнення електронів із позитронамипозитивно заряджені електронні античастинки. Основна частина експерименту, звана ПКП-ІІ, був проведений у співпраці з SLAC, лабораторією Берклі та Ліверморською національною лабораторією Лоуренса. Понад 630 фізиків із тринадцяти країн брали участь у співпраці на BaBar на його піку.

В останньому аналізі використовували близько 10% даних BaBar, записаних за останні два роки його роботи. Дослідження були зосереджені на пошуку частинок, не включених до стандартної моделі фізики. На отриманому графіку показана область пошуку (зелена), досліджена під час аналізу даних BaBar, де було виявлено темних фотонів. На графіку також показані області пошуку інших експериментів. Червона смуга показує область перевірки, чи викликають темні фотони так звані g-2 аномаліяа білі поля залишилися недослідженими наявність темних фотонів. У графіку також враховується експеримент NA64, виконаний у ЦЕРН.

Фото. Максиміліан Бріс/ЦЕРН

Як і звичайний фотон, темний фотон передаватиме електромагнітну силу між частинками темної матерії. Він також може показати потенційно слабкий зв'язок із звичайною речовиною, а це означає, що темні фотони можуть виникати при зіткненнях із високою енергією. Попередні пошуки не змогли знайти його слідів, але передбачалося, що темні фотони розпадаються на електрони або інші видимі частинки.

Для нового дослідження в BaBar розглядався сценарій, в якому чорний фотон формується подібно до звичайного фотону в електрон-позитронному зіткненні, а потім розпадається на темні частинки матерії, невидимі для детектора. У такому разі можна було б виявити лише одну частинку — звичайний фотон, який несе певну кількість енергії. Тому команда шукала конкретних енергетичних подій, які відповідали масі темного фотона. Він не знайшов такого влучення в маси 8 ГеВ.

Юрій Коломенський, фізик відділу ядерних наук Лабораторії Берклі та співробітник відділу фізики Каліфорнійського університету в Берклі, заявив у прес-релізі, що «підпис темного фотона в детекторі буде гранично простий — один високоенергетичний фотон і жодної іншої активності». Єдиний фотон, що випромінюється частинкою пучка, сигналізував би про те, що сталося зіткнення електрона з позитроном і що невидимий темний фотон розпався на темні частинки матерії, невидимі для детектора, які виявляють себе без будь-якої іншої супутньої енергії.

Темний фотон також постулюється для пояснення невідповідності між властивостями, що спостерігаються, спина мюона і значенням, передбаченим Стандартною моделлю. Метою є вимір цієї властивості з найбільшою відомою точністю. мюонний експеримент g-2, проведений у Національній прискорювальній лабораторії імені Фермі Як сказав Коломенський, останні аналізи результатів експерименту BaBar значною мірою "виключають можливість пояснення аномалії g-2 за допомогою темних фотонів, але це також означає, що аномалією g-2 управляє щось інше".

Темний фотон був уперше запропонований у 2008 році Лотті Акерман, Метью Р. Баклі, Шоном М. Керроллом та Марком Каміонковським для пояснення «аномалії g-2» в експерименті E821 у Брукхейвенській національній лабораторії.

Темний портал

Вищезгаданий експеримент CERN під назвою NA64, проведений останніми роками, також не зміг виявити явища, що супроводжують темні фотони. Як повідомляється в статті в Physical Review Letters, після аналізу даних фізики з Женеви не змогли знайти темні фотони з масою від 10 ГеВ до 70 ГеВ.

Проте, коментуючи ці результати, Джеймс Бічем з експерименту ATLAS висловив надію, що перша невдача спонукає конкуруючі команди ATLAS та CMS продовжити пошуки.

– прокоментував Бічем у Physical Review Letters. -

Експеримент, аналогічний BaBar у Японії, називається Белль IIякий, як очікується, дасть у сто разів більше даних, ніж BaBar.

Згідно з гіпотезою вчених з Інституту фундаментальних наук у Південній Кореї, нав'язливу таємницю взаємин між звичайною матерією та пітьмою можна пояснити за допомогою портальної моделі, відомої як «портал темного аксіону ». Він заснований на двох гіпотетичних частинках темного сектора – аксіоні та темному фотоні. Портал, як випливає з назви, є перехід між темною матерією і невідомою фізикою і тим, що ми знаємо і розуміємо. Ці два світи з'єднує темний фотон, який знаходиться з іншого боку, але, на думку фізиків, його можна виявити за допомогою наших інструментів.

Відео про експеримент NA64:

Полювання на таємничий темний фотон: експеримент NA64