Темна матерія - загадкова субстанція, яка, здається, пронизує весь всесвіт, але виявити його дуже складно, оскільки він рідко взаємодіє зі звичайною матерією. У вчених є список частинок, з якими вони працюють як з можливими представниками темної матерії, і тепер цей список став трохи коротшим. Експерименти в ЦЕРНі виключили деякі типи темних фотонів, наближаючи нас до пошуку невловимої темної матерії.
Десятиліття астрономічних спостережень показали, що у всесвіті набагато більше маси, ніж здається на перший погляд. Названа темною матерією, ця додаткова маса фактично невидима для нас, вона спостерігається тільки завдяки гравітаційній взаємодії з нормальною матерією і світлом. Для кожної передбачуваної частинки, яка може бути відповідальною за цю масу, існує безліч експериментів, присвячених її виявленню, але досі всі вони виявилися порожніми.
Однією з головних частинок-кандидатів є темний фотон. Звичайні фотони - це елементарні частинки, які діють як носії електромагнітної сили, що становить світло і радіохвилі. Вважається, що вплив темної матерії може бути результатом нової сили, яку несе гіпотетична частинка, названа темним фотоном.
Хоча такі експерименти, як HADES в Німеччині, не призвели до успіху в полюванні на цю частинку в минулому, це не завадило вченим ЦЕРН ще раз поглянути на експеримент під назвою NA64. У цьому експерименті використовувався суперпротонний синхротронний прискорювач (SPS), який включав вибух пучка електронів з енергією 100 ГЕВ на мішені і аналіз того, що було вироблено.
Звичайно, якщо якісь темні фотони були створені в результаті вибухів, вони були б невидимі, але вчені можуть виявити їх іншими способами. Вироблений темний фотон ігноруватиме стіни експерименту і піде в ефір, забираючи з собою трохи енергії. Оскільки фізики знають, скільки енергії повинно бути в подальшому, якщо енергії виявиться менше, вони можуть сказати, що були створені темні фотони.
Команда NA64 проаналізувала дані, зібрані між 2016 і 2018 роками (близько 100 трлн. зіткнень) і не виявила жодних ознак темних фотонів.
Такий підсумок не обов'язково виключає існування темних фотонів в цілому - це може означати, що вони не існують в межах діапазону енергій, який перевіряв експеримент. Виходячи з результатів, дослідники приходять до висновку, що взаємодія між фотонами і темними фотонами може бути набагато слабкішою, ніж вважалося раніше.
Це означає, що темні фотони з масою 1 МЕВ взаємодіють з електроном з силою, яка щонайменше в 100 000 разів слабша за електромагнітну силу, яку несе фотон. Для темного фотона з масою 200 МеВ ця різниця як мінімум в 1000 разів слабша.
Ці нові, більш суворі кордони допомагають вченим відточувати пошук. Нова інформація щодо обмежень, а можливе і виявлення темного фотону може з'явитися, коли SPS знову включиться в роботу після оновлення, яке має відбутися в 2021 році.
Дослідження було опубліковано на сайті препринтів ArXiv.org.