פוטון כהה. מחפש את הבלתי נראה

פוטון הוא חלקיק יסודי הקשור לאור. עם זאת, במשך כעשור, כמה מדענים האמינו שיש מה שהם מכנים פוטון כהה או כהה. בעיני אדם רגיל, ניסוח כזה נראה כסתירה בפני עצמה. לפיזיקאים זה הגיוני, כי לדעתם זה מוביל לפיתוח המסתורין של החומר האפל.

ניתוחים חדשים של נתונים מניסויי מאיץ, בעיקר תוצאות גלאי BaBarתראה לי איפה פוטון כהה הוא אינו מוסתר, כלומר אינו כולל אזורים שבהם הוא לא נמצא. ניסוי ה-BaBar, שנערך מ-1999 עד 2008 ב-SLAC (מרכז מאיץ ליניארי של סטנפורד) במנלו פארק, קליפורניה, אסף נתונים מ- התנגשויות של אלקטרונים עם פוזיטרונים, אנטי-חלקיקי אלקטרונים בעלי מטען חיובי. החלק העיקרי של הניסוי, נקרא PKP-II, נערך בשיתוף פעולה עם SLAC, מעבדת ברקלי והמעבדה הלאומית של לורנס ליברמור. למעלה מ-630 פיזיקאים מ-XNUMX מדינות שיתפו פעולה ב-BaBar בשיאו.

הניתוח האחרון השתמש בכ-10% מנתוני BaBar שנרשמו בשנתיים האחרונות של פעילותה. המחקר התמקד במציאת חלקיקים שאינם כלולים במודל הסטנדרטי של הפיזיקה. הגרף שהתקבל מציג את אזור החיפוש (ירוק) שנחקר בניתוח נתונים של BaBar שבו לא נמצאו פוטונים כהים. הגרף מציג גם אזורי חיפוש עבור ניסויים אחרים. הפס האדום מציג את האזור כדי לבדוק אם פוטונים כהים גורמים למה שנקרא אנומליה g-2והשדות הלבנים נותרו בלתי נבדקים לגבי נוכחותם של פוטונים כהים. התרשים גם לוקח בחשבון ניסוי NA64נעשה ב-CERN.

תמונה. מקסימיליאן בריס/CERN

כמו פוטון רגיל, פוטון כהה יעביר כוח אלקטרומגנטי בין חלקיקי החומר האפל. זה יכול גם להראות קשר פוטנציאלי חלש עם חומר רגיל, כלומר פוטונים כהים יכולים להיווצר בהתנגשויות באנרגיה גבוהה. חיפושים קודמים לא הצליחו למצוא עקבות שלו, אבל פוטונים כהים הונח בדרך כלל להתפרק לכדי אלקטרונים או חלקיקים גלויים אחרים.

עבור מחקר חדש ב-BaBar, נשקל תרחיש שבו פוטון שחור נוצר כמו פוטון רגיל בהתנגשות אלקטרונים-פוזיטרון, ולאחר מכן מתפרק לחלקיקים אפלים של חומר בלתי נראים לגלאי. במקרה זה, ניתן היה לזהות רק חלקיק אחד - פוטון רגיל הנושא כמות מסוימת של אנרגיה. אז הצוות חיפש אירועי אנרגיה ספציפיים התואמים למסה של הפוטון האפל. הוא לא מצא להיט כזה על המוני 8 GeV.

יורי קולומנסקי, פיזיקאי גרעיני במעבדת ברקלי וחבר במחלקה לפיזיקה באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, אמר בהודעה לעיתונות כי "החתימה של פוטון כהה בגלאי תהיה פשוטה כמו אחת גבוהה- פוטון אנרגיה וללא פעילות אחרת." פוטון בודד שנפלט על ידי חלקיק קרן יאותת שאלקטרון מתנגש בפוזיטרון ושהפוטון הכהה הבלתי נראה התכלה לחלקיקים אפלים של חומר, בלתי נראים לגלאי, המתבטאים בהיעדר כל אנרגיה נלווית אחרת.

הפוטון הכהה גם מניח להסביר את הפער בין התכונות הנצפות של ספין המיון לבין הערך שחזה המודל הסטנדרטי. המטרה היא למדוד תכונה זו עם הדיוק הידוע ביותר. ניסוי muon g-2נערך במעבדת המאיץ הלאומית של פרמי. כפי שאמר קולומנסקי, ניתוחים אחרונים של תוצאות ניסוי BaBar "שוללים במידה רבה את האפשרות להסביר את האנומליה של g-2 במונחים של פוטונים כהים, אבל זה גם אומר שמשהו אחר מניע את האנומליה של g-2."

הפוטון האפל הוצע לראשונה בשנת 2008 על ידי לוטי אקרמן, מת'יו ר. באקלי, שון מ. קרול ומארק קמיונקובסקי כדי להסביר את "אנומליה g-2" בניסוי E821 במעבדה הלאומית ברוקהייבן.

פורטל אפל

גם ניסוי ה-CERN הנ"ל בשם NA64, שבוצע בשנים האחרונות, לא הצליח לזהות את התופעות הנלוות לפוטונים כהים. כפי שדווח במאמר ב-"Physical Review Letters", לאחר ניתוח הנתונים, פיזיקאים מז'נבה לא יכלו למצוא פוטונים כהים בעלי מסה של 10 GeV עד 70 GeV.

עם זאת, בהתייחס לתוצאות אלו, ג'יימס ביצ'ם מניסוי ATLAS הביע את תקוותו שהכישלון הראשון יעודד את צוותי ה-ATLAS וה-CMS המתחרים להמשיך לחפש.

ביצ'ם הגיב במכתבי ביקורת פיזית. -

ניסוי דומה ל-BaBar ביפן נקרא בל IIמה שצפוי לתת פי מאה יותר נתונים מבבאר.

על פי ההשערה של מדענים מהמכון למדעים בסיסיים בדרום קוריאה, ניתן להסביר את התעלומה הרודפת של הקשר בין חומר רגיל לחושך באמצעות מודל פורטל המכונה "פורטל אקסיון כהה ». הוא מבוסס על שני חלקיקי מגזר כהה היפותטיים, האקסיון והפוטון האפל. הפורטל, כפי שהשם מרמז, הוא מעבר בין חומר אפל לפיזיקה לא ידועה ומה שאנו יודעים ומבינים. מחבר בין שני העולמות הוא פוטון אפל שנמצא בצד השני, אבל פיזיקאים אומרים שניתן לזהות אותו בעזרת המכשירים שלנו.

סרטון על ניסוי NA64:

ציד אחר הפוטון האפל המסתורי: ניסוי NA64