Donker foton. Op zoek naar het onzichtbare

Een foton is een elementair deeltje dat geassocieerd is met licht. Ongeveer tien jaar lang geloofden sommige wetenschappers echter dat er wat zij een donker of donker foton noemen, bestond. Voor een gewoon mens lijkt een dergelijke formulering op zichzelf een tegenstrijdigheid. Voor natuurkundigen is dit logisch, omdat het naar hun mening leidt tot het ontrafelen van het mysterie van donkere materie.

Nieuwe analyses van gegevens uit versnellerexperimenten, voornamelijk resultaten BaBar-detectorlaat me zien waar donker foton het is niet verborgen, d.w.z. het sluit zones uit waar het niet is gevonden. Het BaBar-experiment, dat van 1999 tot 2008 liep in het SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) in Menlo Park, Californië, verzamelde gegevens van botsingen van elektronen met positronen, positief geladen elektronen-antideeltjes. Het grootste deel van het experiment, genaamd PKP-II, werd uitgevoerd in samenwerking met SLAC, Berkeley Lab en Lawrence Livermore National Laboratory. Ruim 630 natuurkundigen uit dertien landen werkten mee aan BaBar op zijn hoogtepunt.

Bij de laatste analyse werd ongeveer 10% van de gegevens van BaBar gebruikt die in de laatste twee jaar van zijn bestaan ​​waren geregistreerd. Onderzoek heeft zich geconcentreerd op het vinden van deeltjes die niet zijn opgenomen in het standaardmodel van de natuurkunde. De resulterende grafiek toont het zoekgebied (groen) dat is onderzocht in de BaBar-gegevensanalyse en waar geen donkere fotonen zijn gevonden. De grafiek toont ook zoekgebieden voor andere experimenten. De rode balk toont het gebied waar moet worden gecontroleerd of donkere fotonen zogenaamde g-2 anomalieen de witte velden bleven niet onderzocht op de aanwezigheid van donkere fotonen. De grafiek houdt er ook rekening mee experiment NA64gemaakt bij CERN.

Foto. Maximiliaan Brice/CERN

Net als een gewoon foton zal een donker foton elektromagnetische kracht overbrengen tussen donkere materiedeeltjes. Het zou ook een potentieel zwakke binding met gewone materie kunnen aantonen, wat betekent dat donkere fotonen kunnen worden geproduceerd bij botsingen met hoge energie. Bij eerdere zoekopdrachten zijn er geen sporen van gevonden, maar over het algemeen wordt aangenomen dat donkere fotonen vervallen in elektronen of andere zichtbare deeltjes.

Voor een nieuwe studie bij BaBar werd een scenario overwogen waarin een zwart foton wordt gevormd als een gewoon foton bij een botsing tussen elektron en positron, en vervolgens vervalt tot donkere materiedeeltjes die onzichtbaar zijn voor de detector. In dit geval kon slechts één deeltje worden gedetecteerd: een gewoon foton dat een bepaalde hoeveelheid energie draagt. Daarom zocht het team naar specifieke energiegebeurtenissen die overeenkwamen met de massa van het donkere foton. Zo'n hit vond hij niet op de 8 GeV-massa's.

Yuri Kolomensky, natuurkundige bij de afdeling Nucleaire Wetenschappen van Berkeley Lab en lid van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Californië in Berkeley, zei in een persbericht dat ‘de signatuur van een donker foton in de detector net zo eenvoudig zal zijn als als één hoogenergetisch foton en geen andere activiteit." Eén enkel foton uitgezonden door een bundeldeeltje zou het signaal geven dat een elektron in botsing kwam met een positron en dat het onzichtbare donkere foton was vervallen tot donkere materiedeeltjes, onzichtbaar voor de detector, die zich manifesteerden in afwezigheid van enige andere begeleidende energie.

Er wordt ook gepostuleerd dat het donkere foton de discrepantie verklaart tussen de waargenomen eigenschappen van de muon-spin en de waarde die wordt voorspeld door het standaardmodel. Het doel is om deze eigenschap met de best bekende nauwkeurigheid te meten. muon-experiment g-2uitgevoerd in het Fermi National Accelerator Laboratory. Zoals Kolomensky zei: recente analyses van de resultaten van het BaBar-experiment ‘sluiten grotendeels de mogelijkheid uit om de g-2-anomalie te verklaren in termen van donkere fotonen, maar het betekent ook dat iets anders de g-2-anomalie aandrijft.’

Het donkere foton werd voor het eerst voorgesteld in 2008 door Lottie Ackerman, Matthew R. Buckley, Sean M. Carroll en Mark Kamionkowski om de "g-2-anomalie" in het E821-experiment in het Brookhaven National Laboratory te verklaren.

donker portaal

Het eerder genoemde CERN-experiment genaamd NA64, dat de afgelopen jaren is uitgevoerd, slaagde er ook niet in de verschijnselen te detecteren die gepaard gaan met donkere fotonen. Volgens een artikel in "Physical Review Letters" konden natuurkundigen uit Genève na analyse van de gegevens geen donkere fotonen vinden met massa's tussen 10 GeV en 70 GeV.

In zijn commentaar op deze resultaten sprak James Beecham van het ATLAS-experiment echter de hoop uit dat de eerste mislukking de concurrerende ATLAS- en CMS-teams zou aanmoedigen om te blijven zoeken.

Beecham gaf commentaar in Physical Review Letters. -

Een experiment vergelijkbaar met BaBar in Japan wordt genoemd Bel IIdie naar verwachting honderd keer meer gegevens zal opleveren dan BaBar.

Volgens de hypothese van wetenschappers van het Institute of Basic Sciences in Zuid-Korea kan het angstaanjagende mysterie van de relatie tussen gewone materie en duisternis worden verklaard met behulp van een portaalmodel dat bekend staat als "duister actieportaal ». Het is gebaseerd op twee hypothetische donkere sectordeeltjes, het axion en het donkere foton. Het portaal is, zoals de naam al doet vermoeden, een overgang tussen donkere materie en onbekende natuurkunde en wat we weten en begrijpen. Het verbinden van de twee werelden is een donker foton dat zich aan de andere kant bevindt, maar natuurkundigen zeggen dat het met onze instrumenten kan worden gedetecteerd.

Video over het NA64-experiment:

Op jacht naar het mysterieuze donkere foton: het NA64-experiment