Photon noir. À la recherche de l'invisible

Un photon est une particule élémentaire associée à la lumière. Cependant, pendant environ une décennie, certains scientifiques ont cru qu'il existait ce qu'ils appellent un photon sombre ou sombre. Pour une personne ordinaire, une telle formulation semble être une contradiction en soi. Pour les physiciens, cela a du sens, car, selon eux, cela conduit à percer le mystère de la matière noire.

Nouvelles analyses de données d'expériences avec des accélérateurs, principalement des résultats Détecteur BaBarmontre moi où photon sombre il n'est pas caché, c'est-à-dire qu'il exclut les zones où il n'a pas été trouvé. L'expérience BaBar, qui s'est déroulée de 1999 à 2008 au SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) à Menlo Park, en Californie, a recueilli des données de collisions d'électrons avec des positrons, antiparticules électroniques chargées positivement. La partie principale de l'expérience, appelée PKP-II, a été menée en collaboration avec le SLAC, le Berkeley Lab et le Lawrence Livermore National Laboratory. Plus de 630 physiciens de treize pays ont collaboré à BaBar à son apogée.

La dernière analyse a utilisé environ 10% des données de BaBar enregistrées au cours de ses deux dernières années de fonctionnement. La recherche s'est concentrée sur la recherche de particules non incluses dans le modèle standard de la physique. Le graphique résultant montre la zone de recherche (verte) explorée dans l'analyse des données BaBar où aucun photon noir n'a été trouvé. Le graphique montre également les zones de recherche pour d'autres expériences. La barre rouge montre la zone pour vérifier si les photons noirs provoquent ce que l'on appelle anomalie g-2et les champs blancs sont restés non examinés pour la présence de photons noirs. Le tableau prend également en compte expérience NA64réalisé au CERN.

Une photo. Maximilien Bris/CERN

Comme un photon ordinaire, un photon noir transférera la force électromagnétique entre les particules de matière noire. Il pourrait également montrer une liaison potentiellement faible avec la matière ordinaire, ce qui signifie que des photons noirs pourraient être produits lors de collisions à haute énergie. Les recherches précédentes n'ont pas permis d'en trouver des traces, mais on suppose généralement que les photons noirs se désintègrent en électrons ou en d'autres particules visibles.

Pour une nouvelle étude à BaBar, un scénario a été envisagé dans lequel un photon noir se forme comme un photon ordinaire dans une collision électron-positon, puis se désintègre en particules de matière sombres invisibles au détecteur. Dans ce cas, une seule particule a pu être détectée - un photon ordinaire transportant une certaine quantité d'énergie. L'équipe a donc recherché des événements énergétiques spécifiques correspondant à la masse du photon noir. Il n'a pas trouvé un tel succès sur les masses de 8 GeV.

Yuri Kolomensky, physicien nucléaire au laboratoire de Berkeley et membre du département de physique de l'Université de Californie à Berkeley, a déclaré dans un communiqué de presse que "la signature d'un photon noir dans le détecteur sera aussi simple qu'un photon d'énergie et aucune autre activité." Un seul photon émis par une particule de faisceau signalerait qu'un électron est entré en collision avec un positon et que le photon noir invisible s'est désintégré en particules de matière sombres, invisibles pour le détecteur, se manifestant en l'absence de toute autre énergie d'accompagnement.

Le photon noir est également postulé pour expliquer l'écart entre les propriétés observées du spin du muon et la valeur prédite par le modèle standard. Le but est de mesurer cette propriété avec la meilleure précision connue. expérience sur les muons g-2menée au Fermi National Accelerator Laboratory. Comme l'a dit Kolomensky, des analyses récentes des résultats de l'expérience BaBar "excluent en grande partie la possibilité d'expliquer l'anomalie g-2 en termes de photons noirs, mais cela signifie également que quelque chose d'autre est à l'origine de l'anomalie g-2".

Le photon noir a été proposé pour la première fois en 2008 par Lottie Ackerman, Matthew R. Buckley, Sean M. Carroll et Mark Kamionkowski pour expliquer "l'anomalie g-2" dans l'expérience E821 au Laboratoire national de Brookhaven.

portail sombre

L'expérience susmentionnée du CERN appelée NA64, réalisée ces dernières années, n'a pas non plus réussi à détecter les phénomènes accompagnant les photons noirs. Comme indiqué dans un article de "Physical Review Letters", après analyse des données, les physiciens de Genève n'ont pas pu trouver de photons noirs avec des masses de 10 GeV à 70 GeV.

Cependant, commentant ces résultats, James Beecham de l'expérience ATLAS a exprimé son espoir que le premier échec encouragerait les équipes ATLAS et CMS concurrentes à continuer à chercher.

Beecham a commenté dans Physical Review Letters. -

Une expérience similaire à BaBar au Japon s'appelle Cloche IIqui devrait fournir cent fois plus de données que BaBar.

Selon l'hypothèse des scientifiques de l'Institut des sciences fondamentales de Corée du Sud, le mystère obsédant de la relation entre la matière ordinaire et l'obscurité peut être expliqué à l'aide d'un modèle de portail connu sous le nom de "portail axion sombre ». Il est basé sur deux particules hypothétiques du secteur sombre, l'axion et le photon noir. Le portail, comme son nom l'indique, est une transition entre la matière noire et la physique inconnue et ce que nous savons et comprenons. Reliant les deux mondes, un photon noir se trouve de l'autre côté, mais les physiciens disent qu'il peut être détecté avec nos instruments.

Vidéo sur l'expérience NA64 :

À la recherche du mystérieux photon noir : l'expérience NA64