Forskere indsnævrer søgningen efter mørke fotoner ved hjælp af årti gamle partikelkolliderdata

I sine sidste driftsår, en partikelkollider i det nordlige Californien blev fokuseret på at søge efter tegn på nye partikler, der kan hjælpe med at udfylde nogle store tomrum i vores forståelse af universet.

En ny analyse af disse data, ledet af fysikere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), begrænser nogle af skjulestedene for en type teoretisk partikel - den mørke foton, også kendt som den tunge foton - der blev foreslået for at hjælpe med at forklare mysteriet om mørkt stof.

Det seneste resultat, offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve af det omkring 240 medlemmer store BaBar-samarbejde, tilføjer resultaterne fra en samling af tidligere forsøg, men ikke fundet endnu de teoretiserede mørke fotoner.

"Selvom det ikke udelukker eksistensen af ​​mørke fotoner, BaBar -resultaterne begrænser, hvor de kan gemme sig, og endegyldigt udelukke deres forklaring på et andet spændende mysterium forbundet med ejendommen til den subatomære partikel kendt som muon, "sagde Michael Roney, BaBar -talsmand og professor ved University of Victoria.

Mørkt stof, der tegner sig for en anslået 85 procent af universets samlede masse, er kun blevet observeret ved dens tyngdekraftsinteraktioner med normalt stof. For eksempel, galaksernes rotationshastighed er meget hurtigere end forventet baseret på deres synlige stof, tyder på, at der mangler "masse", der hidtil har været usynlig for os.

Så fysikere har arbejdet med teorier og eksperimenter for at hjælpe med at forklare, hvad mørkt stof er lavet af - om det er sammensat af uopdagede partikler, for eksempel, og om der kan være en skjult eller "mørk" kraft, der styrer interaktionen mellem sådanne partikler indbyrdes og med synligt stof. Den mørke foton, hvis den findes, er blevet fremsat som en mulig bærer af denne mørke kraft.

Ved hjælp af data indsamlet fra 2006 til 2008 på SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, Californien, analyseteamet scannede de registrerede biprodukter fra partikelkollisioner for tegn på en enkelt lyspartikel - en foton - uden tilhørende partikelprocesser.

BaBar -eksperimentet, der løb fra 1999 til 2008 på SLAC, indsamlet data fra kollisioner af elektroner med positroner, deres positivt ladede antipartikler. Kollideren kører BaBar, kaldet PEP-II, blev bygget gennem et samarbejde, der omfattede SLAC, Berkeley Lab, og Lawrence Livermore National Laboratory. På sit højeste, BaBar -samarbejdet involverede over 630 fysikere fra 13 lande.

BaBar blev oprindeligt designet til at studere forskellene i adfærden mellem stof og antimaterie, der involverer en b-kvark. Samtidig med et konkurrerende eksperiment i Japan kaldet Belle, BaBar bekræftede teoretikeres forudsigelser og banede vejen for Nobelprisen i 2008. Berkeley Lab -fysiker Pier Oddone foreslog ideen til BaBar og Belle i 1987, mens han var laboratoriets fysikafdelingsdirektør.

Den seneste analyse brugte omkring 10 procent af BaBars data - registreret i de sidste to års drift. Dens dataindsamling var fokuseret på at finde partikler, der ikke er redegjort for i fysikkens standardmodel - en slags regelbog for, hvilke partikler og kræfter der udgør det kendte univers.

"BaBar gennemførte en omfattende kampagne, der søgte efter partikler i mørke sektorer, og dette resultat vil yderligere begrænse deres eksistens, "sagde Bertrand Echenard, en forskningsprofessor ved Caltech, der var medvirkende til denne indsats.

Yury Kolomensky, en fysiker i Nuclear Science Division ved Berkeley Lab og et fakultetsmedlem i Institut for Fysik ved UC Berkeley, sagde, "Signaturen (af en mørk foton) i detektoren ville være ekstremt enkel:en højenergifoton, uden anden aktivitet. "

En række af de mørke fotonteorier forudsiger, at de tilhørende partikler i mørkt stof ville være usynlige for detektoren. Den eneste foton, udstrålet fra en strålepartikel, signalerer, at der er sket en elektron-positron-kollision, og at den usynlige mørke foton forfalder til partiklerne i det mørke stof, afslører sig selv i fravær af anden ledsagende energi.

Da fysikere havde foreslået mørke fotoner i 2009, det vakte ny interesse for fysikfællesskabet, og fik et nyt kig på BaBars data. Kolomensky førte tilsyn med dataanalysen, udført af UC Berkeley -studerende Mark Derdzinski og Alexander Giuffrida.

"Mørke fotoner kunne bygge bro over dette skjulte skel mellem mørkt stof og vores verden, så det ville være spændende, hvis vi havde set det, "Sagde Kolomensky.

Den mørke foton er også blevet postuleret for at forklare en uoverensstemmelse mellem observation af en egenskab ved muonspinnet og den værdi, der forudsiges for det i standardmodellen. Måling af denne ejendom med en hidtil uset præcision er målet med Muon g-2 (udtales gee-minus-to) eksperiment på Fermi National Accelerator Laboratory.

Tidligere målinger ved Brookhaven National Laboratory havde fundet ud af, at denne egenskab af muoner - som en snurretoppe med en vingling, der nogensinde er lidt uden for normen - er slukket med omkring 0,0002 procent fra det forventede. Mørke fotoner blev foreslået som en mulig partikelkandidat til at forklare dette mysterium, og en ny runde eksperimenter, der blev påbegyndt tidligere på året, skulle være med til at afgøre, om anomalien faktisk er en opdagelse.

Det seneste BaBar -resultat, Kolomensky sagde, stort set "udelukker disse mørke fotonteorier som en forklaring på g-2-anomalien, effektivt at lukke dette særlige vindue, men det betyder også, at der er noget andet, der driver g-2-anomalien, hvis det er en reel effekt. "

Det er et almindeligt og konstant samspil mellem teori og eksperimenter, med teori tilpasning til nye begrænsninger, der er sat ved forsøg, og eksperimenter, der søger inspiration fra nye og justerede teorier for at finde de næste bevismuligheder for at teste disse teorier.

Forskere har aktivt udvundet BaBars data, Roney sagde, at drage fordel af de velforståede eksperimentelle forhold og detektor til at teste nye teoretiske ideer.

"At finde en forklaring på mørkt stof er en af ​​de vigtigste udfordringer i fysikken i dag, og at lede efter mørke fotoner var en naturlig måde for BaBar at bidrage med, "Roney sagde, tilføjer, at mange eksperimenter i drift eller planlagt rundt om i verden søger at løse dette problem.

En opgradering af et eksperiment i Japan, der ligner BaBar, kaldet Belle II, tænder næste år. "Til sidst, Belle II vil producere 100 gange mere statistik sammenlignet med BaBar, "Sagde Kolomensky." Eksperimenter som dette kan undersøge nye teorier og flere stater, effektivt åbner nye muligheder for yderligere test og målinger. "

"Indtil Belle II har samlet betydelige mængder data, BaBar vil fortsætte i de næste flere år for at give nye effektive resultater som dette, "Sagde Roney.