In de laatste jaren van zijn werking, een deeltjesversneller in Noord-Californië werd opnieuw gefocust om te zoeken naar tekenen van nieuwe deeltjes die zouden kunnen helpen bij het opvullen van enkele grote leemtes in ons begrip van het universum.

Een nieuwe analyse van deze gegevens, mede geleid door natuurkundigen van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), beperkt enkele van de schuilplaatsen voor één type getheoretiseerd deeltje - het donkere foton, ook bekend als het zware foton - dat werd voorgesteld om het mysterie van donkere materie te helpen verklaren.

Het laatste resultaat, gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven door de ongeveer 240 leden tellende BaBar-samenwerking, voegt toe aan de resultaten van een verzameling eerdere experimenten op zoek naar, maar nog niet gevonden de theoretische donkere fotonen.

"Hoewel het het bestaan ​​van donkere fotonen niet uitsluit, de BaBar-resultaten beperken waar ze zich kunnen verbergen, en hun verklaring definitief uitsluiten voor een ander intrigerend mysterie dat verband houdt met de eigenschap van het subatomaire deeltje dat bekend staat als het muon, " zei Michael Roney, BaBar-woordvoerder en professor aan de Universiteit van Victoria.

Donkere materie, die naar schatting 85 procent van de totale massa van het heelal uitmaakt, is alleen waargenomen door zijn zwaartekrachtinteracties met normale materie. Bijvoorbeeld, de rotatiesnelheid van sterrenstelsels is veel sneller dan verwacht op basis van hun zichtbare materie, wat suggereert dat er "ontbrekende" massa is die tot nu toe onzichtbaar voor ons is gebleven.

Dus hebben natuurkundigen aan theorieën en experimenten gewerkt om te helpen verklaren waaruit donkere materie bestaat - of het nu is samengesteld uit onontdekte deeltjes, bijvoorbeeld, en of er een verborgen of "duistere" kracht is die de interacties van dergelijke deeltjes onderling en met zichtbare materie regeert. Het donkere foton, als het bestaat, is naar voren gebracht als een mogelijke drager van deze duistere kracht.

Met behulp van gegevens verzameld van 2006 tot 2008 bij SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, Californië, het analyseteam scande de geregistreerde bijproducten van deeltjesbotsingen op tekenen van een enkel lichtdeeltje - een foton - zonder bijbehorende deeltjesprocessen.

Het BaBar-experiment, die liep van 1999 tot 2008 bij SLAC, verzamelde gegevens van botsingen van elektronen met positronen, hun positief geladen antideeltjes. De botser die BaBar bestuurt, genaamd PEP-II, werd gebouwd door een samenwerking die SLAC omvatte, Berkeley-lab, en Lawrence Livermore National Laboratory. Op zijn hoogtepunt, bij de BaBar-samenwerking waren meer dan 630 natuurkundigen uit 13 landen betrokken.

BaBar is oorspronkelijk ontworpen om de verschillen in het gedrag tussen materie en antimaterie met een b-quark te bestuderen. Gelijktijdig met een concurrerend experiment in Japan genaamd Belle, BaBar bevestigde de voorspellingen van theoretici en maakte de weg vrij voor de Nobelprijs 2008. Berkeley Lab-natuurkundige Pier Oddone kwam op het idee voor BaBar en Belle in 1987 toen hij directeur van de Physics-divisie van het Lab was.

De laatste analyse gebruikte ongeveer 10 procent van BaBar's gegevens - opgenomen in de laatste twee jaar van gebruik. De gegevensverzameling was opnieuw gericht op het vinden van deeltjes die niet zijn opgenomen in het standaardmodel van de natuurkunde - een soort regelboek voor welke deeltjes en krachten het bekende universum vormen.

"BaBar voerde een uitgebreide campagne uit op zoek naar deeltjes in de donkere sector, en dit resultaat zal hun bestaan ​​verder beperken, " zei Bertrand Echenard, een onderzoeksprofessor bij Caltech die een belangrijke rol speelde bij deze inspanning.

Joeri Kolomenski, een natuurkundige in de Nuclear Science Division van Berkeley Lab en een faculteitslid in de afdeling Natuurkunde van UC Berkeley, zei, "De signatuur (van een donker foton) in de detector zou extreem eenvoudig zijn:één hoogenergetisch foton, zonder enige andere activiteit."

Een aantal van de donkere-fotontheorieën voorspellen dat de bijbehorende donkere materiedeeltjes onzichtbaar zouden zijn voor de detector. Het enkele foton, uitgestraald door een bundeldeeltje, geeft aan dat er een elektron-positron-botsing heeft plaatsgevonden en dat het onzichtbare donkere foton is vervallen tot de donkere materiedeeltjes, zichzelf openbaren in de afwezigheid van enige andere begeleidende energie.

Toen natuurkundigen in 2009 donkere fotonen hadden voorgesteld, het wekte nieuwe interesse in de natuurkundegemeenschap op, en leidde tot een nieuwe kijk op de gegevens van BaBar. Kolomensky begeleidde de data-analyse, uitgevoerd door UC Berkeley studenten Mark Derdzinski en Alexander Giuffrida.

"Donkere fotonen kunnen deze verborgen kloof tussen donkere materie en onze wereld overbruggen, dus het zou spannend zijn als we het hadden gezien, ' zei Kolomenski.

Het donkere foton is ook gepostuleerd om een ​​discrepantie te verklaren tussen de waarneming van een eigenschap van de muon-spin en de waarde die ervoor wordt voorspeld in het standaardmodel. Het meten van deze eigenschap met ongekende precisie is het doel van het Muon g-2-experiment (uitgesproken als gee-minus-two) in het Fermi National Accelerator Laboratory.

Eerdere metingen in het Brookhaven National Laboratory hadden uitgewezen dat deze eigenschap van muonen - zoals een tol met een wiebel die altijd een beetje van de norm afwijkt - ongeveer 0,0002 procent afwijkt van wat wordt verwacht. Donkere fotonen werden voorgesteld als een mogelijke kandidaat voor deeltjes om dit mysterie te verklaren, en een nieuwe ronde van experimenten die eerder dit jaar is begonnen, zou moeten helpen bepalen of de anomalie daadwerkelijk een ontdekking is.

Het laatste BaBar-resultaat, Kolomenski zei, sluit deze theorieën over donkere fotonen grotendeels uit als verklaring voor de g-2-anomalie, het effectief sluiten van dit specifieke venster, maar het betekent ook dat er iets anders is dat de g-2 anomalie drijft als het een echt effect is."

Het is een gemeenschappelijk en constant samenspel tussen theorie en experimenten, met theorie die zich aanpast aan nieuwe beperkingen die door experimenten zijn gesteld, en experimenten die inspiratie zoeken uit nieuwe en aangepaste theorieën om de volgende bewijsgronden te vinden voor het testen van die theorieën.

Wetenschappers zijn actief bezig met het delven van BaBar's gegevens, Roney zei, om te profiteren van de goed begrepen experimentele omstandigheden en detector om nieuwe theoretische ideeën te testen.

"Het vinden van een verklaring voor donkere materie is tegenwoordig een van de belangrijkste uitdagingen in de natuurkunde, en het zoeken naar donkere fotonen was een natuurlijke manier voor BaBar om bij te dragen, "Roney zei, eraan toevoegend dat veel experimenten die over de hele wereld worden uitgevoerd of gepland, dit probleem proberen aan te pakken.

Een upgrade van een experiment in Japan dat vergelijkbaar is met BaBar, genaamd Belle II, gaat volgend jaar aan. "Eventueel, Belle II zal 100 keer meer statistieken produceren in vergelijking met BaBar, Kolomensky zei. "Experimenten zoals deze kunnen nieuwe theorieën en meer toestanden onderzoeken, effectief nieuwe mogelijkheden openen voor aanvullende tests en metingen."

"Tot Belle II aanzienlijke hoeveelheden gegevens heeft verzameld, BaBar zal de komende jaren doorgaan om nieuwe impactvolle resultaten op te leveren zoals deze, ' zei Roney.