ЦЕРН ищет загадочные «темные фотоны»

Темная материя — загадочная субстанция, которая, кажется, пронизывает всю вселенную, но обнаружить ее очень сложно, поскольку она редко взаимодействует с обычной материей. У ученых есть список частиц, с которыми они работают как с возможными представителями темной материи, и теперь этот список стал немного короче. Эксперименты в ЦЕРНе исключили некоторые типы темных фотонов, приближая нас к поиску неуловимой темной материи.

Десятилетия астрономических наблюдений показали, что во вселенной гораздо больше массы, чем кажется на первый взгляд. Названная темной материей, эта дополнительная масса фактически невидима для нас, она наблюдается только благодаря гравитационному взаимодействию с нормальной материей и светом. Для каждой предполагаемой частицы, которая может быть ответственной за эту массу, существует множество экспериментов, посвященных ее обнаружению, но до сих пор все они оказались пустыми.

Одной из главных частиц-кандидатов является темный фотон. Обычные фотоны — это элементарные частицы, которые действуют как носители электромагнитной силы, составляющей свет и радиоволны. Считается, что влияние темной материи может быть результатом новой силы, которую несет гипотетическая частица, названная темным фотоном.

Хотя такие эксперименты, как HADES в Германии, не привели к успеху в охоте на эту частицу в прошлом, это не помешало ученым ЦЕРН еще раз взглянуть на эксперимент под названием NA64. В этом эксперименте использовался суперпротонный синхротронный ускоритель (SPS), который включал в себя взрыв пучка электронов с энергией 100 ГэВ на мишени и анализ того, что было произведено.

Конечно, если какие-то темные фотоны были созданы в результате взрывов, они были бы невидимы, но ученые могут обнаружить их другими способами. Произведенный темный фотон будет игнорировать стены эксперимента и уйдет в эфир, унося с собой немного энергии. Так как физики знают, сколько энергии должно присутствовать в последствии, то если энергии окажется меньше, они могут сказать, что были созданы темные фотоны.

Команда NA64 проанализировала данные, собранные между 2016 и 2018 годами (около 100 трлн. столкновений) и не обнаружила никаких признаков темных фотонов.

Такой итог не обязательно исключает существование темных фотонов в целом — это может означать, что они не существуют в пределах диапазона энергий, который проверял эксперимент. Исходя из результатов, исследователи приходят к выводу, что взаимодействие между фотонами и темными фотонами может быть намного слабее, чем считалось ранее.

Это означает, что темные фотоны с массой 1 МэВ взаимодействуют с электроном с силой, которая по меньшей мере в 100 000 раз слабее электромагнитной силы, которую несет фотон. Для темного фотона с массой 200 МэВ эта разница как минимум в 1000 раз слабее.

Эти новые, более строгие границы помогают ученым оттачивать поиск. Новая информация по ограничениям, а возможно и обнаружение темного фотона может появиться, когда SPS снова включится в работу после обновления, которое должно состояться в 2021 году.

Исследование было опубликовано на сайте препринтов ArXiv.org.