¿Tiene el fotón visible una contraparte, un fotón oscuro, que interactúa con los componentes de la materia oscura?
Crédito de la imagen: Sandbox Studio, Chicago
Por Kandice Carter, para Symmetry Magazine Noviembre 18 de 2013
Durante miles de años, la humanidad ha confiado en la luz para revelar los misterios de nuestro universo, ya sea observando la luz emitida por las estrellas brillantes o por la luz brillante con los microscopios.
Sin embargo, según la evidencia reciente, los científicos piensan que sólo alrededor del 5 por ciento de nuestro universo está hecho de materia visible-átomos ordinarios que conforman casi todo lo que podemos ver, tocar y sentir. El otro 95 por ciento está compuesto por el llamado sector oscuro, que incluye la materia oscura y la energía oscura. Estos son descritos como "oscuros" porque observamos sus efectos en otros objetos en lugar de verlos directamente. Ahora, para estudiar la oscuridad, los científicos están recurriendo a lo que saben acerca de la luz, y están señalando una prueba recientemente exitosa de equipo experimental que sugiere que una exploración del sector oscuro podría ser posible en el laboratorio de Jefferson.
Luz oscura
Sabemos que las partículas de luz, los fotones, interactúan con la materia visible y sus bloques de construcción-protones, neutrones y electrones. Tal vez lo mismo es cierto para la materia oscura. En otras palabras, ¿tiene el fotón visible una contrapartida, un fotón oscuro, que interactúa con los componentes de la materia oscura?
La colaboración de DarkLight espera responder a esa pregunta. Peter Fisher y Richard Milner, profesores del Instituto de Tecnología de Massachusetts, sirven como portavoces de la colaboración DarkLight. Fisher fue recientemente nombrado jefe del departamento de física del MIT, y Milner es director del Laboratorio de Ciencias Nucleares del instituto.
En una entrevista reciente, Milner dijo que el fotón oscuro puede puentear los sectores oscuros y ligeros de nuestro universo.
"Estas partículas están motivadas por la suposición de que la materia oscura existe y que de alguna manera debe unirse a la materia estándar en el universo. Y estos fotones oscuros de forma directa podrían hacer eso ", explica.
Según la teoría, el fotón oscuro es muy similar al fotón de la luz, excepto que tiene masa e interactúa con la materia oscura. El fotón oscuro a veces se refiere como un fotón pesado o como una partícula doblada el A '(pronunciado "A primo"
. Si el fotón oscuro también interactúa con la materia ordinaria, puede ser persuadido de ocultarse bajo las condiciones adecuadas. De hecho, Milner dice que los científicos pueden haber captado ya vislumbres de los efectos de fotones oscuros en los datos de la física de partículas y experimentos de astrofísica.
Sugerencias de fotones oscuros en los datos anteriores
Por ejemplo, los fotones oscuros pueden desempeñar un papel en la explicación de los datos en el experimento Muon g-2 (pronunciado "Moo-on g menos dos experimentos"
que se llevó a cabo en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en 2001. Muons son partículas que se pueden pensar como primos más pesados de electrones.
El experimento Muon g-2 intentó medir una característica del muón relacionada con su campo magnético. En términos simplistas, el momento magnético de un ítem cuantifica la fuerza de su reacción a un campo magnético. El muón tiene un momento magnético, pero, a diferencia de su trozo típico de acero, el momento magnético del muón es alterado por su pequeño tamaño, esta alteración es capturada en el llamado "momento magnético anómalo" del muón. midió el momento magnético anómalo del muón, sus colaboradores se sorprendieron al descubrir que el número que medían no coincidía con el número que esperaban.
"Si esto es real, tal discrepancia podría ser explicada por un fotón oscuro del tipo y masa que DarkLight está buscando", dice Milner.
Otras evidencias de fotones oscuros pueden encontrarse en la astrofísica.
Cuando se hizo una medición de pares de electrones-positrones de alta energía en el espacio exterior, hubo más de lo que podría explicarse por la producción de rayos cósmicos, lo que sugiere que algo más, como los fotones oscuros, produce pares adicionales.
"Además, hay indicios del centro de nuestra galaxia de que hay radiación que podría ser consistente con el fotón oscuro", añade Milner.
Un experimento desafiante
Si los fotones oscuros están dando lugar a estos fenómenos observados, significa que interactúan con la materia visible, si es que raramente. También significa que el efecto debe ser reproducible y mensurable por los experimentadores.
"Este fotón oscuro que esperamos podría ser visto por la emisión de un haz de partículas cargadas, como un haz de electrones. Así que un haz de electrones puede irradiar un fotón tan oscuro ", explica Milner. "Así que miramos a nuestro alrededor y el haz de electrones más poderoso del mundo está en el láser de electrones libres de Jefferson Lab. Tiene aproximadamente 1 megavatio de potencia en la viga. Y así es como llegamos a Jefferson Lab; es absolutamente único en el mundo ".
Los científicos redactaron una propuesta que requiere apuntar el haz a los protones en un objetivo de gas hidrógeno. El teórico del MIT Jesse Thaler, cuyo grupo ha realizado cálculos importantes para DarkLight, propuso el nombre para el experimento, basado en el método que se utilizará para llevarlo a cabo (DarkLight: Detección de una resonancia cinemática con el incidente de electrones en un objetivo de hidrógeno gaseoso) .
Los experimentadores eligieron el hidrógeno, porque sus átomos consisten en un solo protón con un electrón en órbita. Cuando los electrones del acelerador golpean los protones en el hidrógeno, sacarán los protones del blanco.
"Así que si lo hacemos a energías lo suficientemente bajas, sabemos que el estado final es simple: es sólo el electrón disperso, el protón y el par de electrones-positrones, lo que podría venir de esta decadencia del fotón oscuro", explica Milner.
El experimento fue aprobado bajo la condición de que la colaboración pudiera demostrar que estaban a la altura de los retos técnicos de su realización. Milner dice que el desafío principal era probar que los operadores del acelerador podrían conseguir un haz de electrones a través del objetivo estrecho del hidrógeno. Aunque los electrones en la viga tendrían energías bajas, la viga tendría muchos de ellos, ascendiendo a 1 megavatio de energía. Esa cantidad de energía destruiría cualquier contenedor utilizado para mantener el gas hidrógeno.
Los experimentadores decidieron que el gas sería bombeado en una tubería estrecha. Los electrones entonces serían roscados en esa misma tubería estrecha. En su forma más estrecha, la tubería tendría que ser de aproximadamente 2 milímetros de ancho y 5 centímetros de largo, que es aproximadamente del tamaño de un agitador de café redondo.
"Decidimos que realmente necesitábamos hacer una prueba con una viga. Por lo tanto, básicamente construimos un sistema, un sistema de diana de prueba que tenía básicamente una maqueta de aberturas, aberturas de 2, 4 y 6 milímetros de diámetro en un bloque de aluminio. Y lo trajimos al Laboratorio Jefferson hace un año. Y a finales de julio, tuvimos una prueba ", dice.
Los operadores del acelerador láser de Jefferson Lab introdujeron un haz de electrones a través de un pequeño tubo del tamaño de un agitador de café dentro de este aparato para demostrar que el experimento DarkLight era posible. DarkLight buscará fotones oscuros, que son partículas que interactúan tanto con la materia oscura como con la materia visible. Crédito de la imagen: Jefferson Lab
Enhebrando el agitador de café
El personal del Centro de Investigación e Ingeniería del MIT-Bates diseñó, construyó y entregó el ensamblaje objetivo de prueba. Los operadores del acelerador del laboratorio de Jefferson y un equipo de la colaboración de DarkLight intentaron enhebrar el haz de electrones a través de las tuberías estrechas en el bloque de aluminio, con éxito el roscar el haz a través de los 6 milímetros, luego los 4 milímetros y finalmente los 2 milímetros objetivos. Es más, los electrones en el haz pasaron a través de las tuberías de manera limpia. En el caso de la abertura más pequeña, de 2 milímetros, los operadores pasaron los electrones a través de la tubería continuamente durante un período de siete horas; en ese tiempo, sólo tres electrones se perdieron cuando golpearon las paredes de la tubería por cada millón que pasó limpio a través.
"Por lo tanto, es un haz muy potente, es un rayo muy brillante, pero también es un rayo muy limpio", dice Milner.
La colaboración DarkLight publicó recientemente los resultados de las exitosas pruebas en Physical Review Letters.
Con esta exitosa prueba, el experimento DarkLight ha sido aprobado para correr. Milner dice que la colaboración tiene mucho trabajo por delante antes de que pueda ejecutar el experimento, incluyendo la construcción de los detectores que se utilizarán para capturar los protones, electrones y pares de electrones-positrones y finalizar el objetivo.
Mientras tanto, también hay otras cazas de fotones oscuros que se preparan para correr en el laboratorio de Jefferson. Dos de estos experimentos serán alimentados por el mismo acelerador. La Búsqueda de Fotones Pesados se está preparando para funcionar en la Sala Experimental B del Laboratorio Jefferson, y el experimento APEX se llevará a cabo en la Sala Experimental A.
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