Dunkles Photon. Auf der Suche nach dem Unsichtbaren

Ein Photon ist ein mit Licht assoziiertes Elementarteilchen. Einige Wissenschaftler glaubten jedoch etwa ein Jahrzehnt lang, dass es ein sogenanntes dunkles oder dunkles Photon gibt. Für einen gewöhnlichen Menschen scheint eine solche Formulierung ein Widerspruch in sich zu sein. Für Physiker macht das Sinn, weil es ihrer Meinung nach dazu führt, das Geheimnis der Dunklen Materie zu lüften.

Neue Analysen von Daten aus Beschleunigerexperimenten, hauptsächlich Ergebnisse BaBar-DetektorZeig mir wo dunkles Photon es ist nicht ausgeblendet, d. h. es schließt Zonen aus, in denen es nicht gefunden wurde. Das BaBar-Experiment, das von 1999 bis 2008 am SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) in Menlo Park, Kalifornien, durchgeführt wurde, sammelte Daten von Kollisionen von Elektronen mit Positronen, positiv geladene Elektron-Antiteilchen. Der Hauptteil des Experiments, genannt PKP-II, wurde in Zusammenarbeit mit SLAC, Berkeley Lab und Lawrence Livermore National Laboratory durchgeführt. Auf dem Höhepunkt von BaBar arbeiteten über 630 Physiker aus dreizehn Ländern zusammen.

Die jüngste Analyse verwendete etwa 10 % der Daten von BaBar, die in den letzten zwei Betriebsjahren aufgezeichnet wurden. Die Forschung hat sich darauf konzentriert, Teilchen zu finden, die nicht im Standardmodell der Physik enthalten sind. Das resultierende Diagramm zeigt das Suchgebiet (grün), das in der BaBar-Datenanalyse erkundet wurde, wo keine dunklen Photonen gefunden wurden. Die Grafik zeigt auch Suchbereiche für andere Experimente. Der rote Balken zeigt den Bereich, um zu prüfen, ob dunkle Photonen sog g-2 Anomalieund die weißen Felder blieben ungeprüft auf das Vorhandensein dunkler Photonen. Das Diagramm berücksichtigt auch Versuch NA64am CERN hergestellt.

Ein Foto. Maximilian Bris/CERN

Wie ein gewöhnliches Photon überträgt ein dunkles Photon elektromagnetische Kraft zwischen Teilchen der dunklen Materie. Es könnte auch eine potenziell schwache Bindung mit gewöhnlicher Materie aufweisen, was bedeutet, dass bei hochenergetischen Kollisionen dunkle Photonen erzeugt werden könnten. Frühere Suchen konnten keine Spuren davon finden, aber es wurde allgemein angenommen, dass dunkle Photonen in Elektronen oder andere sichtbare Teilchen zerfallen.

Für eine neue Studie bei BaBar wurde ein Szenario betrachtet, in dem ein schwarzes Photon wie ein gewöhnliches Photon bei einer Elektron-Positron-Kollision entsteht und dann in dunkle Materieteilchen zerfällt, die für den Detektor unsichtbar sind. In diesem Fall konnte nur ein Teilchen nachgewiesen werden - ein gewöhnliches Photon mit einer bestimmten Energiemenge. Also suchte das Team nach bestimmten Energieereignissen, die der Masse des dunklen Photons entsprachen. Einen solchen Treffer fand er bei den 8 GeV-Massen nicht.

Yuri Kolomensky, Nuklearphysiker am Berkeley Lab und Mitglied der Fakultät für Physik an der University of California, Berkeley, sagte in einer Pressemitteilung, dass „die Signatur eines dunklen Photons im Detektor so einfach sein wird wie ein hoch- Energiephoton und keine andere Aktivität." Ein einzelnes Photon, das von einem Strahlteilchen emittiert wird, würde signalisieren, dass ein Elektron mit einem Positron kollidiert und dass das unsichtbare dunkle Photon in dunkle Materieteilchen zerfallen ist, die für den Detektor unsichtbar sind und sich in Abwesenheit anderer begleitender Energie manifestieren.

Das dunkle Photon wird auch postuliert, um die Diskrepanz zwischen den beobachteten Eigenschaften des Myon-Spins und dem vom Standardmodell vorhergesagten Wert zu erklären. Ziel ist es, diese Eigenschaft mit der besten bekannten Genauigkeit zu messen. Myonenexperiment g-2durchgeführt am Fermi National Accelerator Laboratory. Wie Kolomensky sagte, schließen jüngste Analysen der Ergebnisse des BaBar-Experiments weitgehend „die Möglichkeit aus, die g-2-Anomalie mit dunklen Photonen zu erklären, aber es bedeutet auch, dass etwas anderes die g-2-Anomalie antreibt“.

Das dunkle Photon wurde erstmals 2008 von Lottie Ackerman, Matthew R. Buckley, Sean M. Carroll und Mark Kamionkowski vorgeschlagen, um die „g-2-Anomalie“ im E821-Experiment am Brookhaven National Laboratory zu erklären.

dunkles Portal

Auch das bereits erwähnte CERN-Experiment mit dem Namen NA64, das in den letzten Jahren durchgeführt wurde, konnte die mit dunklen Photonen einhergehenden Phänomene nicht nachweisen. Wie in einem Artikel in «Physical Review Letters» berichtet, konnten Genfer Physiker nach Analyse der Daten keine dunklen Photonen mit Massen von 10 GeV bis 70 GeV finden.

Als Kommentar zu diesen Ergebnissen drückte James Beecham vom ATLAS-Experiment jedoch seine Hoffnung aus, dass der erste Fehlschlag die konkurrierenden ATLAS- und CMS-Teams ermutigen würde, weiterzusuchen.

Beecham kommentierte in Physical Review Letters. -

Ein Experiment ähnlich BaBar in Japan wird aufgerufen Glocke IIvon dem erwartet wird, dass es hundertmal mehr Daten liefert als BaBar.

Nach der Hypothese von Wissenschaftlern des Institute of Basic Sciences in Südkorea kann das eindringliche Mysterium der Beziehung zwischen gewöhnlicher Materie und Dunkelheit mithilfe eines Portalmodells erklärt werden, das als "dunkles Axion-Portal ». Es basiert auf zwei hypothetischen Teilchen des dunklen Sektors, dem Axion und dem dunklen Photon. Das Portal ist, wie der Name schon sagt, ein Übergang zwischen dunkler Materie und unbekannter Physik und dem, was wir wissen und verstehen. Diese beiden Welten verbindet ein dunkles Photon, das sich auf der anderen Seite befindet, aber Physiker sagen, dass es mit unseren Instrumenten nachgewiesen werden kann.

Video über das NA64-Experiment:

Auf der Jagd nach dem mysteriösen dunklen Photon: das NA64-Experiment