Fotone scuro. Alla ricerca dell'invisibile

Un fotone è una particella elementare associata alla luce. Tuttavia, per circa un decennio, alcuni scienziati hanno creduto che esistesse quello che chiamano un fotone oscuro o oscuro. Per una persona comune, una tale formulazione sembra essere una contraddizione in sé. Per i fisici, questo ha senso, perché, secondo loro, porta a svelare il mistero della materia oscura.

Nuove analisi di dati da esperimenti con acceleratore, principalmente risultati Rivelatore BaBarmostrami dove fotone scuro non è nascosto, cioè esclude le zone in cui non è stato trovato. L'esperimento BaBar, svoltosi dal 1999 al 2008 presso lo SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) a Menlo Park, in California, ha raccolto dati da collisioni di elettroni con positroni, antiparticelle di elettroni con carica positiva. La parte principale dell'esperimento, chiamata PKP-II, è stato condotto in collaborazione con SLAC, Berkeley Lab e Lawrence Livermore National Laboratory. Oltre 630 fisici provenienti da tredici paesi hanno collaborato a BaBar al suo apice.

L'ultima analisi ha utilizzato circa il 10% dei dati di BaBar registrati negli ultimi due anni di attività. La ricerca si è concentrata sulla ricerca di particelle non incluse nel modello standard della fisica. Il grafico risultante mostra l'area di ricerca (verde) esplorata nell'analisi dei dati BaBar in cui non sono stati trovati fotoni scuri. Il grafico mostra anche le aree di ricerca per altri esperimenti. La barra rossa mostra l'area per verificare se i fotoni scuri causano i cosiddetti anomalia g-2ei campi bianchi rimasero non esaminati per la presenza di fotoni oscuri. Il grafico tiene anche conto esperimento NA64realizzato al CERN.

Una foto. Massimiliano Bris/CERN

Come un normale fotone, un fotone oscuro trasferirà la forza elettromagnetica tra le particelle di materia oscura. Potrebbe anche mostrare un legame potenzialmente debole con la materia ordinaria, il che significa che i fotoni oscuri potrebbero essere prodotti in collisioni ad alta energia. Ricerche precedenti non sono riuscite a trovarne tracce, ma si presume generalmente che i fotoni scuri decadano in elettroni o altre particelle visibili.

Per un nuovo studio a BaBar, è stato considerato uno scenario in cui un fotone nero si forma come un normale fotone in una collisione elettrone-positrone, e poi decade in particelle oscure di materia invisibili al rivelatore. In questo caso, sarebbe possibile rilevare solo una particella: un normale fotone che trasporta una certa quantità di energia. Quindi il team ha cercato eventi energetici specifici che corrispondessero alla massa del fotone oscuro. Non ha trovato un tale successo sulle masse da 8 GeV.

Yuri Kolomensky, fisico nucleare del Berkeley Lab e membro del Dipartimento di Fisica dell'Università della California, a Berkeley, ha dichiarato in un comunicato stampa che "la firma di un fotone oscuro nel rivelatore sarà semplice come un fotone fotone di energia e nessun'altra attività." Un singolo fotone emesso da una particella del fascio segnalerebbe che un elettrone si è scontrato con un positrone e che il fotone oscuro invisibile è decaduto in particelle oscure di materia, invisibili al rivelatore, manifestandosi in assenza di qualsiasi altra energia di accompagnamento.

Il fotone oscuro è anche postulato per spiegare la discrepanza tra le proprietà osservate dello spin del muone e il valore previsto dal Modello Standard. L'obiettivo è misurare questa proprietà con l'accuratezza più nota. esperimento sui muoni g-2condotto presso il Laboratorio Nazionale Acceleratori di Fermi. Come ha detto Kolomensky, le recenti analisi dei risultati dell'esperimento BaBar "escludono in gran parte la possibilità di spiegare l'anomalia g-2 in termini di fotoni scuri, ma significa anche che qualcos'altro sta guidando l'anomalia g-2".

Il fotone oscuro è stato proposto per la prima volta nel 2008 da Lottie Ackerman, Matthew R. Buckley, Sean M. Carroll e Mark Kamionkowski per spiegare l'"anomalia g-2" nell'esperimento E821 al Brookhaven National Laboratory.

portale oscuro

Anche il già citato esperimento del CERN chiamato NA64, condotto negli ultimi anni, non è riuscito a rilevare i fenomeni che accompagnano i fotoni oscuri. Come riportato in un articolo su "Physical Review Letters", dopo aver analizzato i dati, i fisici di Ginevra non sono riusciti a trovare fotoni oscuri con masse da 10 GeV a 70 GeV.

Tuttavia, commentando questi risultati, James Beecham dell'esperimento ATLAS ha espresso la speranza che il primo fallimento avrebbe incoraggiato i team ATLAS e CMS in competizione a continuare a cercare.

Beecham ha commentato in Physical Review Letters. -

Si chiama un esperimento simile a BaBar in Giappone Campana IIche dovrebbe fornire cento volte più dati di BaBar.

Secondo l'ipotesi degli scienziati dell'Istituto di scienze di base della Corea del Sud, l'ossessionante mistero del rapporto tra materia ordinaria e oscurità può essere spiegato utilizzando un modello di portale noto come "portale axion oscuro ». Si basa su due ipotetiche particelle del settore oscuro, l'assione e il fotone oscuro. Il portale, come suggerisce il nome, è una transizione tra materia oscura e fisica sconosciuta e ciò che conosciamo e comprendiamo. A collegare questi due mondi c'è un fotone oscuro che si trova dall'altra parte, ma i fisici dicono che può essere rilevato con i nostri strumenti.

Video sull'esperimento NA64:

A caccia del misterioso fotone oscuro: l'esperimento NA64