Tumma fotoni. Näkymättömän etsiminen

Fotoni on alkuainehiukkanen, joka liittyy valoon. Kuitenkin noin vuosikymmenen ajan jotkut tutkijat uskoivat, että oli olemassa tumma tai tumma fotoni. Tavalliselle ihmiselle tällainen muotoilu näyttää olevan ristiriita sinänsä. Fyysikoiden kannalta tämä on järkevää, koska heidän mielestään se johtaa pimeän aineen mysteerin selvittämiseen.

Uusia analyyseja kiihdytinkokeiden tiedoista, pääasiassa tuloksia BaBar ilmaisinnäytä missä tumma fotoni se ei ole piilotettu, eli se sulkee pois alueet, joista sitä ei löytynyt. BaBar-koe, joka suoritettiin vuosina 1999–2008 SLAC:ssa (Stanford Linear Accelerator Center) Menlo Parkissa, Kaliforniassa, keräsi tietoja elektronien törmäykset positronien kanssa, positiivisesti varautuneita elektronien antihiukkasia. Kokeen pääosa, ns PKP-II, tehtiin yhteistyössä SLAC:n, Berkeley Labin ja Lawrence Livermore National Laboratoryn kanssa. Yli 630 fyysikkoa kolmestatoista maasta teki yhteistyötä BaBarin parissa huipussaan.

Viimeisimmässä analyysissä käytettiin noin 10 % BaBarin kahden viimeisen toimintavuoden aikana tallennetuista tiedoista. Tutkimus on keskittynyt sellaisten hiukkasten löytämiseen, jotka eivät sisälly fysiikan standardimalliin. Tuloksena oleva kaavio näyttää BaBar-dataanalyysissä tutkitun hakualueen (vihreä), jossa tummia fotoneja ei löytynyt. Kaavio näyttää myös muiden kokeiden hakualueet. Punainen palkki näyttää alueen, jolla tarkistetaan aiheuttavatko tummat fotonit ns g-2 anomaliaja valkoiset kentät jäivät tutkimatta tummien fotonien esiintymisen varalta. Kaaviossa otetaan myös huomioon koe NA64valmistettu CERNissä.

Valokuva. Maximilian Bris/CERN

Kuten tavallinen fotoni, tumma fotoni siirtää sähkömagneettista voimaa pimeän aineen hiukkasten välillä. Se voi myös osoittaa potentiaalisesti heikkoa sidosta tavallisen aineen kanssa, mikä tarkoittaa, että tummia fotoneja voi syntyä korkean energian törmäyksissä. Aiemmat etsinnät eivät ole löytäneet jälkiä siitä, mutta tummien fotonien on yleensä oletettu hajoavan elektroneiksi tai muiksi näkyviksi hiukkasiksi.

Uudessa BaBarin tutkimuksessa tarkasteltiin skenaariota, jossa musta fotoni muodostuu tavallisen fotonin tapaan elektroni-positronin törmäyksessä ja hajoaa sitten tummiksi aineen hiukkasiksi, joita ilmaisin ei näe. Tässä tapauksessa voidaan havaita vain yksi hiukkanen - tavallinen fotoni, joka kuljettaa tietyn määrän energiaa. Joten tiimi etsi tiettyjä energiatapahtumia, jotka vastasivat tumman fotonin massaa. Hän ei löytänyt tällaista osumaa 8 GeV massoista.

Yuri Kolomensky, Berkeley Labin ydinfyysikko ja Kalifornian yliopiston fysiikan osaston jäsen Berkeleyssä, sanoi lehdistötiedotteessa, että "tumman fotonin allekirjoitus ilmaisimessa on yhtä yksinkertainen kuin yksi korkea- energiafotoni eikä muuta toimintaa." Yksittäinen sädehiukkasen lähettämä fotoni osoittaisi, että elektroni törmäsi positroniin ja että näkymätön tumma fotoni oli hajonnut tummiksi aineen hiukkasiksi, jotka ovat ilmaisimelle näkymättömiä ja ilmentyivät muun mukana olevan energian puuttuessa.

Tumman fotonin oletetaan myös selittävän eron havaittujen myonin spinin ominaisuuksien ja standardimallin ennustaman arvon välillä. Tavoitteena on mitata tämä ominaisuus tunnetuimmalla tarkkuudella. myonikoe g-2suoritettu Fermi National Accelerator Laboratoryssa. Kuten Kolomensky sanoi, viimeaikaiset analyysit BaBar-kokeen tuloksista suurelta osin "sulkevat pois mahdollisuuden selittää g-2-poikkeamaa tummilla fotoneilla, mutta se tarkoittaa myös sitä, että g-2-poikkeamaa ohjaa jokin muu".

Tumman fotonin ehdottivat ensimmäisen kerran vuonna 2008 Lottie Ackerman, Matthew R. Buckley, Sean M. Carroll ja Mark Kamionkowski selittääkseen "g-2-poikkeaman" E821-kokeessa Brookhaven National Laboratoryssa.

tumma portaali

Edellä mainittu, viime vuosina tehty CERN-koe NA64 ei myöskään onnistunut havaitsemaan tummien fotonien mukana tulevia ilmiöitä. Kuten "Physical Review Letters" -lehdessä julkaistussa artikkelissa kerrottiin, Geneven fyysikot eivät löytäneet tummia fotoneja, joiden massat olivat 10 GeV - 70 GeV, analysoituaan tiedot.

Kommentoimalla näitä tuloksia ATLAS-kokeen James Beecham ilmaisi kuitenkin toivonsa, että ensimmäinen epäonnistuminen rohkaisisi kilpailevia ATLAS- ja CMS-tiimejä jatkamaan etsimistä.

Beecham kommentoi Physical Review Lettersissä. -

Japanin BaBarin kaltainen kokeilu on nimeltään Kello IIjonka odotetaan antavan sata kertaa enemmän dataa kuin BaBar.

Etelä-Korean perustieteiden instituutin tutkijoiden hypoteesin mukaan tavallisen aineen ja pimeyden välisen suhteen kummitteleva mysteeri voidaan selittää käyttämällä portaalimallia, joka tunnetaan nimellä "dark axion portaali ». Se perustuu kahteen hypoteettiseen pimeän sektorin hiukkaseen, aksioniin ja tummaan fotoniin. Portaali, kuten nimestä voi päätellä, on siirtymä pimeän aineen ja tuntemattoman fysiikan ja sen välillä, mitä tiedämme ja ymmärrämme. Kaksi maailmaa yhdistää tumma fotoni, joka on toisella puolella, mutta fyysikot sanovat, että se voidaan havaita laitteillamme.

Video NA64-kokeesta:

Salaperäisen tumman fotonin metsästys: NA64-koe