Темный фотон. Поиск невидимого

Фотон — это элементарная частица, связанная со светом. Однако около десяти лет некоторые ученые полагали, что существует то, что они называют темным или темным фотоном. Обычному человеку такая формулировка кажется противоречием сама по себе. Для физиков это имеет смысл, поскольку, по их мнению, ведет к разгадке тайны темной материи.

Новые анализы данных экспериментов на ускорителях, в основном результаты BaBar детекторпокажи где темный фотон он не скрывается, т. е. исключает зоны, в которых он не был обнаружен. Эксперимент BaBar, который проводился с 1999 по 2008 год в SLAC (Стэнфордский центр линейных ускорителей) в Менло-Парке, Калифорния, собирал данные из столкновения электронов с позитронами, положительно заряженные электронные античастицы. Основная часть эксперимента, называемая ПКП-II, был проведен в сотрудничестве с SLAC, лабораторией Беркли и Ливерморской национальной лабораторией Лоуренса. Более 630 физиков из тринадцати стран участвовали в сотрудничестве на BaBar на его пике.

В последнем анализе использовалось около 10% данных BaBar, записанных за последние два года его работы. Исследования были сосредоточены на поиске частиц, не включенных в Стандартную модель физики. На полученном графике показана область поиска (зеленая), исследованная при анализе данных BaBar, где не было обнаружено темных фотонов. На графике также показаны области поиска для других экспериментов. Красная полоса показывает область проверки, вызывают ли темные фотоны так называемые g-2 аномалияа белые поля остались неисследованными на наличие темных фотонов. В графике также учитывается эксперимент NA64, выполненный в ЦЕРН.

Фото. Максимилиан Брис/ЦЕРН

Как и обычный фотон, темный фотон будет передавать электромагнитную силу между частицами темной материи. Он также может показать потенциально слабую связь с обычным веществом, а это означает, что темные фотоны могут возникать при столкновениях с высокой энергией. Предыдущие поиски не смогли найти его следов, но обычно предполагалось, что темные фотоны распадаются на электроны или другие видимые частицы.

Для нового исследования в BaBar рассматривался сценарий, в котором черный фотон формируется подобно обычному фотону в электрон-позитронном столкновении, а затем распадается на темные частицы материи, невидимые для детектора. В таком случае можно было бы обнаружить только одну частицу — обычный фотон, несущий определенное количество энергии. Поэтому команда искала конкретные энергетические события, которые соответствовали массе темного фотона. Он не нашел такого попадания в массы 8 ГэВ.

Юрий Коломенский, физик отдела ядерных наук Лаборатории Беркли и сотрудник отдела физики Калифорнийского университета в Беркли, заявил в пресс-релизе, что «подпись темного фотона в детекторе будет предельно простой — один высокоэнергетический фотон и никакой другой активности». Единственный фотон, излучаемый частицей пучка, сигнализировал бы о том, что произошло столкновение электрона с позитроном и что невидимый темный фотон распался на темные частицы материи, невидимые для детектора, проявляющие себя в отсутствие какой-либо другой сопутствующей энергии.

Темный фотон также постулируется для объяснения несоответствия между наблюдаемыми свойствами спина мюона и значением, предсказанным Стандартной моделью. Целью является измерение этого свойства с наибольшей известной точностью. мюонный эксперимент g-2, проведенный в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми. Как сказал Коломенский, последние анализы результатов эксперимента BaBar в значительной степени «исключают возможность объяснения аномалии g-2 с помощью темных фотонов, но это также означает, что аномалией g-2 управляет что-то другое».

Темный фотон был впервые предложен в 2008 году Лотти Акерман, Мэтью Р. Бакли, Шоном М. Кэрроллом и Марком Камионковски для объяснения «аномалии g-2» в эксперименте E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории.

Темный портал

Вышеупомянутый эксперимент CERN под названием NA64, проведенный в последние годы, также не смог обнаружить явления, сопровождающие темные фотоны. Как сообщается в статье в «Physical Review Letters», после анализа данных физики из Женевы не смогли найти темные фотоны с массой от 10 ГэВ до 70 ГэВ.

Однако, комментируя эти результаты, Джеймс Бичем из эксперимента ATLAS выразил надежду, что первая неудача побудит конкурирующие команды ATLAS и CMS продолжить поиски.

— прокомментировал Бичем в Physical Review Letters. —

Эксперимент, аналогичный BaBar в Японии, называется Белль IIкоторый, как ожидается, даст в сто раз больше данных, чем BaBar.

Согласно гипотезе ученых из Института фундаментальных наук в Южной Корее, навязчивую тайну взаимоотношений между обычной материей и тьмой можно объяснить с помощью портальной модели, известной как «портал темного аксиона ». Он основан на двух гипотетических частицах темного сектора — аксионе и темном фотоне. Портал, как следует из названия, представляет собой переход между темной материей и неизвестной физикой и тем, что мы знаем и понимаем. Эти два мира соединяет темный фотон, который находится на другой стороне, но, по мнению физиков, его можно обнаружить с помощью наших инструментов.

Видео об эксперименте NA64:

Охота на таинственный темный фотон: эксперимент NA64