Ciemny foton. Poszukiwanie niewidzialnego

Ciemny foton. Poszukiwanie niewidzialnego
Foton to cząstka elementarna kojarząca się ze światłem. Od około dekady niektórzy naukowcy uważają jednak, że istnieje coś, co nazywają ciemnym lub mrocznym fotonem. Przeciętnemu człowiekowi takie sformułowanie wydaje się sprzecznością samą w sobie. Dla fizyków ma to sens, bo ich zdaniem prowadzi do rozwikłania zagadki ciemnej materii.

Nowe analizy danych z eksperymentów w akceleratorach, przede wszystkim wyników w detektorze BaBar, pokazują, gdzie ciemny foton się nie ukrywa, czyli wykluczają strefy, w których go nie wykryto. Eksperyment BaBar, który trwał od roku 1999 do 2008 w ośrodku SLAC (Centrum Liniowego Akceleratora Stanforda), w kalifornijskim Menlo Park, zbierał dane ze zderzeń elektronów z pozytonami, dodatnio naładowanymi antycząstkami elektronów. Główna część eksperymentu, zwana PEP-II, została przeprowadzona dzięki współpracy SLAC, Berkeley Lab i Lawrence Livermore National Laboratory. W szczytowym okresie współpracy przy BaBar brało w nim udział ponad 630 fizyków z trzynastu krajów.

W najnowszej analizie wykorzystano ok. 10% danych BaBar - zarejestrowanych w ostatnich dwóch latach jego działalności. Badania skupiały się na poszukiwaniu cząstek, które nie zostały uwzględnione w Modelu Standardowym fizyki. Wykres będący efektem eksperymentu przedstawia obszar wyszukiwania (zielony) badany w analizie danych BaBar, w którym nie znaleziono ciemnych fotonów. Wykres ukazuje również obszary poszukiwań innych eksperymentów. Czerwony pasek prezentuje obszar weryfikacji, czy ciemne fotony powodują tzw. anomalię g-2, a białe pola pozostały niezbadane pod kątem istnienia ciemnych fotonów. Wykres uwzględnia również eksperyment NA64, przeprowadzony w CERN.

fot. Maximilien Brice/CERN
 

Podobnie jak zwykły foton, ciemny foton przenosiłby siłę elektromagnetyczną pomiędzy cząsteczkami ciemnej materii. Może wykazywać również potencjalnie słabe sprzężenie ze zwykłą materią, co oznacza, że ciemne fotony mogą być wytwarzane w kolizjach o wysokiej energii. Poprzednie poszukiwania nie zdołały znaleźć jego śladu, ale zazwyczaj zakładały, że ciemne fotony rozpadają się na elektrony lub inne widzialne cząstki.

Do nowych badań w BaBar wzięto pod uwagę scenariusz, w którym czarny foton powstaje jak zwykły foton, w zderzeniu elektron-pozyton, a następnie rozpada się na niewidzialne dla detektora ciemne cząstki materii. W takim przypadku wykrywalna byłaby tylko jedna cząstka - zwykły foton, która przenosiłaby określoną energię. Zespół szukał zatem zdarzeń o określonej energii, która odpowiadałaby masie ciemnego fotonu. Nie znalazł żadnego takiego uderzenia do mas 8 GeV.

Yury Kolomensky, fizyk Wydziału Nauk Jądrowych w Berkeley Lab i pracownik Wydziału Fizyki Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, stwierdził w komunikacie dla mediów, że "sygnatura ciemnego fotonu w detektorze byłaby niezwykle prosta - jeden foton o wysokiej energii i żadnej innej aktywności". Pojedynczy foton wypromieniowywany przez cząstkę wiązki sygnalizowałby bowiem, że doszło do zderzenia elektronowo-pozytonowego i że niewidzialny ciemny foton rozpadł się na ciemne cząstki materii, niewidoczne dla detektora, ujawniając się przy braku jakiejkolwiek innej towarzyszącej energii.

Ciemny foton jest również postulowany jako wyjaśnienie rozbieżności pomiędzy obserwacją własności spinu mionu a wartością przewidywaną w Modelu Standardowym. Pomiar tej właściwości z największą znaną precyzją jest celem eksperymentu mionowego g-2, prowadzonego w Narodowym Laboratorium Akceleratorów Fermi. Jak powiedział Kolomensky, najnowsze analizy wyników ekperymentu BaBar w dużej mierze „eliminują możliwość tłumaczenia anomalii g-2 za pomocą ciemnych fotonów, ale oznacza to również, że istnieje coś innego napędzającego anomalię g-2”.

Ciemny foton został po raz pierwszy zaproponowany w 2008 r. przez Lotty'ego Ackermana, Matthew R. Buckleya, Seana M. Carrolla i Marca Kamionkowskiego, w celu wyjaśnienia "anomalii g-2" w eksperymencie E821 w Brookhaven National Laboratory.

 

Ciemny portal

Przeprowadzony w ostatnich latach wspomniany eksperyment CERN o nazwie NA64 również nie wykrył zjawisk mających towarzyszyć ciemnym fotonom. Jak informował artykuł w „Physical Review Letters”, po przeanalizowaniu danych fizykom z Genewy nie udało się znaleźć ciemnych fotonów o masie pomiędzy 10 GeV a 70 GeV.

Jednak, komentując te wyniki, James Beacham pracujący w eksperymencie ATLAS wyraził nadzieję, że pierwsze niepowodzenie zmotywuje konkurujące zespoły ATLAS i CMS do kontynuowania poszukiwań.

- Poszukiwania ciemnego fotonu są jednocześnie proste i wymagające - komentował Beacham na łamach „Physical Review Letters”. - Koncepcja jest bowiem na tyle ogólna i klarowna, że projektowanie eksperymentalnych poszukiwań pozostaje zarazem dość łatwe i trudne, gdyż naprawdę nie mamy pojęcia, gdzie w wynikach pomiarów mogłaby się kryć ta cząstka.

Na przyszły rok zaplanowano podobny do BaBar eksperyment w Japonii, zwany Belle II, który ma przynieść sto razy więcej danych niż BaBar.

Zgodnie z hipotezą naukowców z Instytutu Nauk Podstawowych w Korei Południowej, dręczącą zagadkę relacji zwykłej materii z ciemną można wyjaśnić za pomocą modelu portalu, znanego jako "ciemny portal aksjonowy". Opiera się on na dwóch hipotetycznych cząstkach ciemnego sektora - aksjonie i ciemnym fotonie właśnie. Portal, jak sama nazwa wskazuje, stanowi przejście pomiędzy ciemną materią i nieznaną fizyką, a tym, co znamy i rozumiemy. Łączyć te dwa światy ma ciemny foton, który jest wprawdzie po drugiej stronie, ale zdaniem fizyków da się go wykryć za pomocą naszych instrumentów.

Film o eksperymencie NA64: