Fóton escuro. Procurando o invisível

Um fóton é uma partícula elementar associada à luz. No entanto, por cerca de uma década, alguns cientistas acreditaram que havia o que eles chamam de fóton escuro ou escuro. Para uma pessoa comum, tal formulação parece ser uma contradição em si mesma. Para os físicos, isso faz sentido, porque, na opinião deles, leva a desvendar o mistério da matéria escura.

Novas análises de dados de experimentos com aceleradores, principalmente resultados Detector BaBarmostre-me onde fóton escuro não está oculto, ou seja, exclui zonas onde não foi encontrado. O experimento BaBar, que decorreu de 1999 a 2008 no SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) em Menlo Park, Califórnia, coletou dados de colisões de elétrons com pósitrons, antipartículas eletrônicas carregadas positivamente. A parte principal do experimento, chamada PKP-II, foi realizado em colaboração com SLAC, Berkeley Lab e Lawrence Livermore National Laboratory. Mais de 630 físicos de treze países colaboraram no BaBar em seu auge.

A última análise utilizou cerca de 10% dos dados do BaBar registrados em seus últimos dois anos de operação. A pesquisa se concentrou em encontrar partículas não incluídas no Modelo Padrão da física. O gráfico resultante mostra a área de busca (verde) explorada na análise de dados BaBar onde não foram encontrados fótons escuros. O gráfico também mostra áreas de pesquisa para outros experimentos. A barra vermelha mostra a área para verificar se os fótons escuros causam os chamados anomalia g-2e os campos brancos permaneceram não examinados quanto à presença de fótons escuros. O gráfico também leva em consideração experimento NA64feito no CERN.

Uma foto. Maximiliano Bris/CERN

Como um fóton comum, um fóton escuro transferirá força eletromagnética entre partículas de matéria escura. Também pode mostrar uma ligação potencialmente fraca com a matéria comum, o que significa que os fótons escuros podem ser produzidos em colisões de alta energia. Pesquisas anteriores falharam em encontrar vestígios dele, mas os fótons escuros geralmente se decompõem em elétrons ou outras partículas visíveis.

Para um novo estudo no BaBar, foi considerado um cenário em que um fóton preto é formado como um fóton comum em uma colisão elétron-pósitron, e então decai em partículas escuras de matéria invisível ao detector. Nesse caso, apenas uma partícula pôde ser detectada - um fóton comum carregando uma certa quantidade de energia. Assim, a equipe procurou eventos de energia específicos que correspondessem à massa do fóton escuro. Ele não encontrou tal acerto nas massas de 8 GeV.

Yuri Kolomensky, físico nuclear do Berkeley Lab e membro do Departamento de Física da Universidade da Califórnia, Berkeley, disse em um comunicado à imprensa que “a assinatura de um fóton escuro no detector será tão simples quanto um fóton de energia e nenhuma outra atividade." Um único fóton emitido por uma partícula de feixe sinalizaria que um elétron colidiu com um pósitron e que o fóton escuro invisível havia decaído em partículas escuras de matéria, invisíveis ao detector, manifestando-se na ausência de qualquer outra energia acompanhante.

O fóton escuro também é postulado para explicar a discrepância entre as propriedades observadas do spin do múon e o valor previsto pelo Modelo Padrão. O objetivo é medir essa propriedade com a melhor precisão conhecida. experimento de múon g-2realizado no Fermi National Accelerator Laboratory. Como disse Kolomensky, análises recentes dos resultados do experimento BaBar em grande parte “descartam a possibilidade de explicar a anomalia g-2 em termos de fótons escuros, mas também significa que algo mais está impulsionando a anomalia g-2”.

O fóton escuro foi proposto pela primeira vez em 2008 por Lottie Ackerman, Matthew R. Buckley, Sean M. Carroll e Mark Kamionkowski para explicar a "anomalia g-2" no experimento E821 no Laboratório Nacional de Brookhaven.

portal escuro

O já mencionado experimento do CERN chamado NA64, realizado nos últimos anos, também não conseguiu detectar os fenômenos que acompanham os fótons escuros. Conforme relatado em um artigo em "Physical Review Letters", após analisar os dados, os físicos de Genebra não conseguiram encontrar fótons escuros com massas de 10 GeV a 70 GeV.

No entanto, comentando sobre esses resultados, James Beecham, do experimento ATLAS, expressou sua esperança de que a primeira falha encorajasse as equipes concorrentes de ATLAS e CMS a continuar procurando.

Beecham comentou em Physical Review Letters. -

Um experimento semelhante ao BaBar no Japão é chamado Sino IIque deve fornecer cem vezes mais dados do que o BaBar.

De acordo com a hipótese de cientistas do Instituto de Ciências Básicas da Coreia do Sul, o assombroso mistério da relação entre a matéria comum e a escuridão pode ser explicado usando um modelo de portal conhecido como "portal axion escuro ». Baseia-se em duas partículas hipotéticas do setor escuro, o áxion e o fóton escuro. O portal, como o nome sugere, é uma transição entre a matéria escura e a física desconhecida e o que conhecemos e entendemos. Conectando esses dois mundos está um fóton escuro que está do outro lado, mas os físicos dizem que pode ser detectado com nossos instrumentos.

Vídeo sobre o experimento NA64:

Caça ao misterioso fóton escuro: o experimento NA64