Σκοτεινό φωτόνιο. Ψάχνοντας για το αόρατο

Ένα φωτόνιο είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο που σχετίζεται με το φως. Ωστόσο, για περίπου μια δεκαετία, ορισμένοι επιστήμονες πίστευαν ότι υπήρχε αυτό που αποκαλούν σκοτεινό ή σκοτεινό φωτόνιο. Για έναν απλό άνθρωπο, μια τέτοια διατύπωση φαίνεται να είναι μια αντίφαση από μόνη της. Για τους φυσικούς, αυτό είναι λογικό, γιατί, κατά τη γνώμη τους, οδηγεί στην αποκάλυψη του μυστηρίου της σκοτεινής ύλης.

Νέες αναλύσεις δεδομένων από πειράματα επιταχυντών, κυρίως αποτελέσματα Ανιχνευτής BaBarδείξε μου πού σκοτεινό φωτόνιο δεν είναι κρυφό, δηλαδή αποκλείει ζώνες όπου δεν βρέθηκε. Το πείραμα BaBar, το οποίο διεξήχθη από το 1999 έως το 2008 στο SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) στο Menlo Park της Καλιφόρνια, συνέλεξε δεδομένα από συγκρούσεις ηλεκτρονίων με ποζιτρόνια, θετικά φορτισμένα αντισωματίδια ηλεκτρονίων. Το κύριο μέρος του πειράματος, που ονομάζεται ΠΚΠ-ΙΙ, διεξήχθη σε συνεργασία με την SLAC, το Berkeley Lab και το Lawrence Livermore National Laboratory. Πάνω από 630 φυσικοί από δεκατρείς χώρες συνεργάστηκαν στο BaBar στο απόγειό του.

Η τελευταία ανάλυση χρησιμοποίησε περίπου το 10% των δεδομένων της BaBar που καταγράφηκαν τα τελευταία δύο χρόνια λειτουργίας της. Η έρευνα έχει επικεντρωθεί στην εύρεση σωματιδίων που δεν περιλαμβάνονται στο Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής. Το γράφημα που προκύπτει δείχνει την περιοχή αναζήτησης (πράσινη) που εξερευνήθηκε στην ανάλυση δεδομένων BaBar όπου δεν βρέθηκαν σκοτεινά φωτόνια. Το γράφημα δείχνει επίσης περιοχές αναζήτησης για άλλα πειράματα. Η κόκκινη γραμμή δείχνει την περιοχή για να ελέγξετε αν τα σκοτεινά φωτόνια προκαλούν τα λεγόμενα g-2 ανωμαλίακαι τα λευκά πεδία παρέμειναν ανεξέταστα για την παρουσία σκοτεινών φωτονίων. Το διάγραμμα λαμβάνει επίσης υπόψη πείραμα NA64κατασκευασμένο στο CERN.

Μια φωτογραφία. Maximilian Bris/CERN

Όπως ένα συνηθισμένο φωτόνιο, ένα σκοτεινό φωτόνιο θα μεταφέρει ηλεκτρομαγνητική δύναμη μεταξύ των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης. Θα μπορούσε επίσης να δείξει έναν δυνητικά ασθενή δεσμό με τη συνηθισμένη ύλη, που σημαίνει ότι τα σκοτεινά φωτόνια θα μπορούσαν να παραχθούν σε συγκρούσεις υψηλής ενέργειας. Προηγούμενες έρευνες απέτυχαν να βρουν ίχνη του, αλλά τα σκοτεινά φωτόνια γενικά θεωρείται ότι διασπώνται σε ηλεκτρόνια ή άλλα ορατά σωματίδια.

Για μια νέα μελέτη στο BaBar, εξετάστηκε ένα σενάριο στο οποίο ένα μαύρο φωτόνιο σχηματίζεται σαν ένα συνηθισμένο φωτόνιο σε μια σύγκρουση ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου και στη συνέχεια διασπάται σε σκοτεινά σωματίδια ύλης αόρατα στον ανιχνευτή. Σε αυτή την περίπτωση, μόνο ένα σωματίδιο θα μπορούσε να ανιχνευθεί - ένα συνηθισμένο φωτόνιο που μεταφέρει μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας. Έτσι, η ομάδα αναζήτησε συγκεκριμένα ενεργειακά γεγονότα που ταιριάζουν με τη μάζα του σκοτεινού φωτονίου. Δεν βρήκε τέτοιο χτύπημα στις μάζες των 8 GeV.

Ο Γιούρι Κολομένσκι, πυρηνικός φυσικός στο εργαστήριο του Μπέρκλεϋ και μέλος του Τμήματος Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, δήλωσε σε δελτίο τύπου ότι «η υπογραφή ενός σκοτεινού φωτονίου στον ανιχνευτή θα είναι τόσο απλή όσο ένα υψηλό ενεργειακό φωτόνιο και καμία άλλη δραστηριότητα». Ένα μόνο φωτόνιο που εκπέμπεται από ένα σωματίδιο δέσμης θα σήμαινε ότι ένα ηλεκτρόνιο συγκρούστηκε με ένα ποζιτρόνιο και ότι το αόρατο σκοτεινό φωτόνιο είχε διασπαστεί σε σκοτεινά σωματίδια ύλης, αόρατα στον ανιχνευτή, που εκδηλώνονται απουσία οποιασδήποτε άλλης συνοδευτικής ενέργειας.

Το σκοτεινό φωτόνιο θεωρείται επίσης ότι εξηγεί την ασυμφωνία μεταξύ των παρατηρούμενων ιδιοτήτων του σπιν του μιονίου και της τιμής που προβλέπεται από το Καθιερωμένο Μοντέλο. Ο στόχος είναι να μετρηθεί αυτή η ιδιότητα με την πιο γνωστή ακρίβεια. πείραμα μιονίου g-2που πραγματοποιήθηκε στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή Fermi. Όπως είπε ο Kolomensky, οι πρόσφατες αναλύσεις των αποτελεσμάτων του πειράματος BaBar «αποκλείουν σε μεγάλο βαθμό την πιθανότητα να εξηγηθεί η ανωμαλία g-2 με όρους σκοτεινού φωτονίων, αλλά σημαίνει επίσης ότι κάτι άλλο οδηγεί την ανωμαλία g-2».

Το σκοτεινό φωτόνιο προτάθηκε για πρώτη φορά το 2008 από τους Lottie Ackerman, Matthew R. Buckley, Sean M. Carroll και Mark Kamionkowski για να εξηγήσουν την «ανωμαλία g-2» στο πείραμα E821 στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven.

σκοτεινή πύλη

Το προαναφερθέν πείραμα του CERN που ονομάζεται NA64, που πραγματοποιήθηκε τα τελευταία χρόνια, απέτυχε επίσης να ανιχνεύσει τα φαινόμενα που συνοδεύουν τα σκοτεινά φωτόνια. Όπως αναφέρεται σε άρθρο στο "Physical Review Letters", μετά την ανάλυση των δεδομένων, οι φυσικοί από τη Γενεύη δεν μπόρεσαν να βρουν σκοτεινά φωτόνια με μάζες από 10 GeV έως 70 GeV.

Ωστόσο, σχολιάζοντας αυτά τα αποτελέσματα, ο James Beecham του πειράματος ATLAS εξέφρασε την ελπίδα του ότι η πρώτη αποτυχία θα ενθάρρυνε τις ανταγωνιστικές ομάδες ATLAS και CMS να συνεχίσουν να ψάχνουν.

Ο Beecham σχολίασε στο Physical Review Letters. -

Ένα πείραμα παρόμοιο με το BaBar στην Ιαπωνία ονομάζεται Bell IIπου αναμένεται να δώσει εκατό φορές περισσότερα δεδομένα από το BaBar.

Σύμφωνα με την υπόθεση επιστημόνων από το Ινστιτούτο Βασικών Επιστημών στη Νότια Κορέα, το στοιχειωμένο μυστήριο της σχέσης μεταξύ της συνηθισμένης ύλης και του σκότους μπορεί να εξηγηθεί χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο πύλης γνωστό ως "dark axion portal ». Βασίζεται σε δύο υποθετικά σωματίδια σκοτεινού τομέα, το άξιον και το σκοτεινό φωτόνιο. Η πύλη, όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι μια μετάβαση μεταξύ της σκοτεινής ύλης και της άγνωστης φυσικής και αυτού που γνωρίζουμε και καταλαβαίνουμε. Η σύνδεση των δύο κόσμων είναι ένα σκοτεινό φωτόνιο που βρίσκεται στην άλλη πλευρά, αλλά οι φυσικοί λένε ότι μπορεί να ανιχνευθεί με τα όργανά μας.

Βίντεο σχετικά με το πείραμα NA64:

Κυνήγι για το μυστηριώδες σκοτεινό φωτόνιο: το πείραμα NA64