Американский физик-теоретик предложил искать гипотетические темные фотоны, наблюдая за электрон-позитронными парами, которые образуются в результате перехода ядра бериллия-8 из возбужденного состояния в основное. Ученый вычислил сечение подобных процессов и показал, что с их помощью можно найти фотоны с массой от одного до 18 мегаэлектронвольт и параметром ε ≿ 10⁻⁴. Статья опубликована в Physical Review D.

В 2008 году группа физиков-теоретиков под руководством Марка Камионковски (Marc Kamionkowski) предположила, что частицы темной материи могут взаимодействовать друг с другом (а также с частицами обычной материи) с помощью «темных» электромагнитных сил. Эти силы возникают в результате обмена «темными» фотонами, которые очень сильно напоминают обычные фотоны, однако отвечают новому калибровочному полю и очень слабо взаимодействуют с обычными электромагнитными токами Стандартной модели. При этом масса нового фотона не обязана быть нулевой, то есть радиус действия «темного» электромагнетизма может быть сильно ограничен. С помощью темных фотонов ученые пытались объяснить некоторые расхождения в экспериментальных фактах (например, g−2 аномалию мюона), темные фотоны активно ищут.

Стандартным инструментом поиска новых частиц в современной физике являются ускорители. На таких установках ученые сталкивают элементарные частицы, предварительно разогнанные до огромных скоростей. В результате возникают новые частицы — огромная энергия как будто «вытаскивает» их из вакуума. При этом масса продуктов столкновения не может превысить полную энергию столкнувшихся частиц. Именно из-за этого для открытия бозона Хиггса потребовалось строить Большой адронный коллайдер, разгоняющий пучки адронов до энергии порядка нескольких тераэлектронвольт. Как правило, только что образовавшиеся частицы быстро распадаются. Тем не менее, анализируя различные каналы распада и вычисляя, какой вклад они дают в сечение процесса, можно уверенно сказать, какая частица его запустила. Подробнее о работе ускорителей можно прочитать в этой статье.

Однако для поиска темных фотонов этот способ пока не дал каких-либо интересных результатов. Поэтому в новой статье физик Джонатан Козачук (Jonathan Kozaczuk) предлагает другую схему эксперимента, в котором эти частицы могут проявиться. Для этого ученый предлагает облучать ядра лития-7 протонами, разогнанными до энергии порядка десяти мегаэлектронвольт. В результате будут возникать возбужденные состояния ядра́ бериллия-8, отличающиеся суммарным моментом. Как правило, оба состояния довольно быстро переходят в основное состояние, испуская при этом фотон. С другой стороны, они могут излучить темный фотон, который так же быстро распадется на электрон-позитронную пару. Если такие пары действительно будут возникать, это укажет на существование темных фотонов. Для чистоты эксперимента необходимо измерять энергии электрона и позитрона по отдельности.

Схема эксперимента. J. Kozaczuk / Phys. Rev. D

Разумеется, физик не просто предложил схему эксперимента, но и оценил, насколько большой вклад в образование электрон-позитронных пар вносят темные фотоны. Для этого он рассчитал, как будет зависеть сечение подобных процессов от массы гипотетического фотона и параметра ε, описывающего, насколько слабо фотоны взаимодействуют с частицами обычной материи. Затем он сравнил его с сечением образования пары, рассчитанным в рамках Стандартной модели. Оказалось, что при достаточно хорошем разрешении масс электрона и позитрона в сечении реакции будет возникать отчетливо заметный пик (смотри рисунок). Правда, при уменьшении массы фотона сечение реакции быстро падает, и с помощью предложенной схемы можно будет выявить только фотоны с массами от одного до двадцати мегаэлектронвольт.

Зависимость сечения от массы электрон-позитронной пары. Пунктиром отмечен результат вычисления в рамках Стандартной модели, сплошными линиями — с учетом темного фотона и разной разрешающей способности детектора. J. Kozaczuk / Phys. Rev. D

Зависимость сечения рождения обычного фотона (сплошная линия) и его темных аналогов различной массы (пунктирные линии). J. Kozaczuk / Phys. Rev. D

Помимо прочего, автор отмечает, что предложенную им схему эксперимента можно сравнительно легко реализовать. Поэтому при должном финансировании его можно будет провести в течение одного-двух лет. На идею физика вдохновил эксперимент по измерению углового распределения электрон-позитронных пар, возникающих при распаде возбужденных состояний бериллия-8, проведенный в институте ядерных исследований ATOMKI.

В конце прошлого года физики-теоретики из Италии и Эстонии показали, что теорема Ландау-Янга будет нарушаться, если темные фотоны действительно существуют. Теорема Ландау-Янга запрещает массивной частице с единичным спином (например, Z-бозону) распадаться на две безмассовых частицы с таким же спином. Тем не менее, если в качестве конечных частиц выступают темный и обычный фотоны, вероятность такого распада становится ненулевой, хотя и очень маленькой. Разумеется, для этого масса темного фотона должна быть равна нулю. Если это так, в новом эксперименте с бериллием темные фотоны увидеть не удастся.

Автор: Дмитрий Трунин