Nei suoi ultimi anni di attività, un collisore di particelle nella California settentrionale è stato riorientato per cercare segni di nuove particelle che potrebbero aiutare a colmare alcuni grandi vuoti nella nostra comprensione dell'universo.

Una nuova analisi di questi dati, co-guidato da fisici presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia, limita alcuni dei nascondigli per un tipo di particella teorizzata:il fotone oscuro, noto anche come fotone pesante - che è stato proposto per aiutare a spiegare il mistero della materia oscura.

L'ultimo risultato, pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica dalla collaborazione BaBar di circa 240 membri, aggiunge ai risultati di una raccolta di esperimenti precedenti che cercano, ma non ancora trovando, i fotoni oscuri teorizzati.

"Sebbene non escluda l'esistenza di fotoni oscuri, i risultati di BaBar limitano dove possono nascondersi, ed escludere definitivamente la loro spiegazione per un altro intrigante mistero associato alla proprietà della particella subatomica nota come muone, " ha detto Michael Roney, Portavoce di BaBar e professore dell'Università di Victoria.

Materia oscura, che rappresenta circa l'85 per cento della massa totale dell'universo, è stata osservata solo dalle sue interazioni gravitazionali con la materia normale. Per esempio, la velocità di rotazione delle galassie è molto più veloce del previsto in base alla loro materia visibile, suggerendo che c'è una massa "mancante" che finora ci è rimasta invisibile.

Quindi i fisici hanno lavorato su teorie ed esperimenti per aiutare a spiegare di cosa è fatta la materia oscura - se è composta da particelle sconosciute, Per esempio, e se possa esserci una forza nascosta o "oscura" che governa le interazioni di tali particelle tra di loro e con la materia visibile. Il fotone oscuro, se esiste, è stato proposto come un possibile portatore di questa forza oscura.

Utilizzando i dati raccolti dal 2006 al 2008 presso lo SLAC National Accelerator Laboratory a Menlo Park, California, il team di analisi ha scansionato i sottoprodotti registrati delle collisioni di particelle alla ricerca di segni di una singola particella di luce - un fotone - priva di processi di particelle associati.

L'esperimento BaBar, che si è svolta dal 1999 al 2008 allo SLAC, dati raccolti da collisioni di elettroni con positroni, loro antiparticelle caricate positivamente. Il collisore che guida BaBar, chiamato PEP-II, è stato costruito attraverso una collaborazione che includeva SLAC, Laboratorio di Berkeley, e Lawrence Livermore National Laboratory. Al suo apice, la BaBar Collaboration ha coinvolto oltre 630 fisici provenienti da 13 paesi.

BaBar è stato originariamente progettato per studiare le differenze nel comportamento tra materia e antimateria che coinvolgono un quark b. Contemporaneamente a un esperimento in competizione in Giappone chiamato Belle, BaBar ha confermato le previsioni dei teorici e ha aperto la strada al Premio Nobel 2008. Il fisico del Berkeley Lab Pier Oddone ha proposto l'idea per BaBar e Belle nel 1987 mentre era direttore della divisione di fisica del laboratorio.

L'ultima analisi ha utilizzato circa il 10% dei dati di BaBar, registrati negli ultimi due anni di attività. La sua raccolta di dati è stata riorientata sulla ricerca di particelle non considerate nel modello standard della fisica, una sorta di libro di regole per le particelle e le forze che compongono l'universo conosciuto.

"BaBar ha condotto una vasta campagna alla ricerca di particelle del settore oscuro, e questo risultato limiterà ulteriormente la loro esistenza, " disse Bertrand Echenard, un professore di ricerca al Caltech che è stato determinante in questo sforzo.

Yury Kolomensky, un fisico nella Divisione di Scienze Nucleari del Berkeley Lab e un membro di facoltà nel Dipartimento di Fisica dell'UC Berkeley, disse, "La firma (di un fotone oscuro) nel rivelatore sarebbe estremamente semplice:un fotone ad alta energia, senza altra attività».

Alcune teorie sui fotoni oscuri prevedono che le particelle di materia oscura associate sarebbero invisibili al rivelatore. Il singolo fotone, irradiato da una particella del raggio, segnala che si è verificata una collisione elettrone-positrone e che il fotone oscuro invisibile è decaduto nelle particelle di materia oscura, rivelandosi in assenza di qualsiasi altra energia di accompagnamento.

Quando i fisici avevano proposto i fotoni oscuri nel 2009, ha suscitato un nuovo interesse nella comunità dei fisici, e ha suggerito un nuovo sguardo ai dati di BaBar. Kolomensky ha supervisionato l'analisi dei dati, eseguita dagli studenti universitari dell'UC Berkeley Mark Derdzinski e Alexander Giuffrida.

"I fotoni oscuri potrebbero colmare questa divisione nascosta tra la materia oscura e il nostro mondo, quindi sarebbe stato emozionante se l'avessimo visto, " disse Kolomenskij.

Il fotone oscuro è stato anche postulato per spiegare una discrepanza tra l'osservazione di una proprietà dello spin del muone e il valore previsto per esso nel Modello Standard. Misurare questa proprietà con una precisione senza precedenti è l'obiettivo dell'esperimento Muon g-2 (pronunciato gee-meno-due) presso il Fermi National Accelerator Laboratory.

Precedenti misurazioni presso il Brookhaven National Laboratory avevano scoperto che questa proprietà dei muoni - come una trottola con un'oscillazione che è sempre leggermente fuori dalla norma - è di circa lo 0,0002 percento rispetto a quanto previsto. I fotoni oscuri sono stati suggeriti come una possibile particella candidata per spiegare questo mistero, e un nuovo ciclo di esperimenti iniziato all'inizio di quest'anno dovrebbe aiutare a determinare se l'anomalia è effettivamente una scoperta.

L'ultimo risultato BaBar, Kolomensky ha detto, in gran parte "esclude queste teorie sui fotoni oscuri come spiegazione per l'anomalia g-2, chiudendo efficacemente questa particolare finestra, ma significa anche che c'è qualcos'altro che guida l'anomalia g-2 se è un effetto reale".

È un'interazione comune e costante tra teoria ed esperimenti, con la teoria che si adegua ai nuovi vincoli imposti dagli esperimenti, ed esperimenti che cercano ispirazione da teorie nuove e adattate per trovare i prossimi terreni di prova per testare quelle teorie.

Gli scienziati hanno estratto attivamente i dati di BaBar, Roney ha detto, sfruttare le condizioni sperimentali ben comprese e il rivelatore per testare nuove idee teoriche.

"Trovare una spiegazione per la materia oscura è una delle sfide più importanti della fisica di oggi, e cercare i fotoni oscuri è stato un modo naturale per BaBar di contribuire, "Roney ha detto, aggiungendo che molti esperimenti in corso o pianificati in tutto il mondo stanno cercando di affrontare questo problema.

Un aggiornamento di un esperimento in Giappone simile a BaBar, chiamata Bella II, si accende l'anno prossimo. "Infine, Belle II produrrà 100 volte più statistiche rispetto a BaBar, " ha detto Kolomensky. "Esperimenti come questo possono sondare nuove teorie e più stati, aprendo efficacemente nuove possibilità per ulteriori test e misurazioni."

"Fino a quando Belle II non ha accumulato quantità significative di dati, BaBar continuerà per i prossimi anni a produrre nuovi risultati di grande impatto come questo, " ha detto Roney.