En sus últimos años de funcionamiento, un colisionador de partículas en el norte de California fue reenfocado para buscar señales de nuevas partículas que pudieran ayudar a llenar algunos grandes vacíos en nuestra comprensión del universo.

Un nuevo análisis de estos datos, codirigido por físicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), limita algunos de los escondites de un tipo de partícula teorizada:el fotón oscuro, también conocido como fotón pesado, que se propuso para ayudar a explicar el misterio de la materia oscura.

El último resultado, publicado en la revista Cartas de revisión física por la Colaboración BaBar de aproximadamente 240 miembros, se suma a los resultados de una colección de experimentos previos que buscan, pero aún no lo he encontrado los fotones oscuros teorizados.

"Aunque no descarta la existencia de fotones oscuros, los resultados de BaBar limitan dónde pueden esconderse, y descartan definitivamente su explicación por otro intrigante misterio asociado con la propiedad de la partícula subatómica conocida como muón, "dijo Michael Roney, Portavoz de BaBar y profesor de la Universidad de Victoria.

Materia oscura, que representa aproximadamente el 85 por ciento de la masa total del universo, sólo se ha observado por sus interacciones gravitacionales con la materia normal. Por ejemplo, la velocidad de rotación de las galaxias es mucho más rápida de lo esperado en función de su materia visible, sugiriendo que hay una masa "perdida" que hasta ahora ha permanecido invisible para nosotros.

Entonces, los físicos han estado trabajando en teorías y experimentos para ayudar a explicar de qué está hecha la materia oscura, si está compuesta de partículas no descubiertas, por ejemplo, y si puede haber una fuerza oculta u "oscura" que gobierne las interacciones de tales partículas entre sí y con la materia visible. El fotón oscuro si existiera, ha sido presentado como un posible portador de esta fuerza oscura.

Utilizando datos recopilados de 2006 a 2008 en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC en Menlo Park, California, el equipo de análisis escaneó los subproductos registrados de las colisiones de partículas en busca de signos de una sola partícula de luz, un fotón, desprovisto de procesos de partículas asociados.

El experimento BaBar, que se desarrolló entre 1999 y 2008 en SLAC, recopilado datos de colisiones de electrones con positrones, sus antipartículas cargadas positivamente. El colisionador conduciendo a BaBar, llamado PEP-II, fue construido a través de una colaboración que incluyó SLAC, Laboratorio de Berkeley, y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. En su pico, la Colaboración BaBar involucró a más de 630 físicos de 13 países.

BaBar fue diseñado originalmente para estudiar las diferencias en el comportamiento entre la materia y la antimateria que involucran un quark b. Simultáneamente con un experimento competitivo en Japón llamado Belle, BaBar confirmó las predicciones de los teóricos y allanó el camino para el Premio Nobel de 2008. El físico Pier Oddone del Laboratorio de Berkeley propuso la idea de BaBar y Belle en 1987 mientras era el director de la división de Física del Laboratorio.

El último análisis utilizó alrededor del 10 por ciento de los datos de BaBar, registrados en sus dos últimos años de funcionamiento. Su recopilación de datos se reenfocó en encontrar partículas que no se contabilizan en el Modelo Estándar de la física, una especie de libro de reglas sobre qué partículas y fuerzas componen el universo conocido.

"BaBar realizó una amplia campaña de búsqueda de partículas del sector oscuro, y este resultado limitará aún más su existencia, "dijo Bertrand Echenard, un profesor de investigación en Caltech que jugó un papel decisivo en este esfuerzo.

Yury Kolomensky, un físico en la División de Ciencias Nucleares en Berkeley Lab y un miembro de la facultad en el Departamento de Física en UC Berkeley, dijo, "La firma (de un fotón oscuro) en el detector sería extremadamente simple:un fotón de alta energía, sin ninguna otra actividad ".

Varias de las teorías de los fotones oscuros predicen que las partículas de materia oscura asociadas serían invisibles para el detector. El fotón único, irradiado por una partícula de haz, Señala que ha ocurrido una colisión electrón-positrón y que el fotón oscuro invisible se descompuso en partículas de materia oscura, revelándose en ausencia de cualquier otra energía acompañante.

Cuando los físicos propusieron fotones oscuros en 2009, despertó un nuevo interés en la comunidad de la física, y provocó una nueva mirada a los datos de BaBar. Kolomensky supervisó el análisis de datos, realizado por los estudiantes universitarios de UC Berkeley Mark Derdzinski y Alexander Giuffrida.

"Los fotones oscuros podrían salvar esta división oculta entre la materia oscura y nuestro mundo, por lo que sería emocionante si lo hubiéramos visto, "Dijo Kolomensky.

También se ha postulado que el fotón oscuro explica una discrepancia entre la observación de una propiedad del espín del muón y el valor predicho para él en el modelo estándar. Medir esta propiedad con una precisión sin precedentes es el objetivo del Experimento Muon g-2 (pronunciado gee-menos-dos) en el Laboratorio Nacional del Acelerador de Fermi.

Mediciones anteriores en el Laboratorio Nacional de Brookhaven habían encontrado que esta propiedad de los muones, como una peonza con un bamboleo que está ligeramente fuera de la norma, está desviada en aproximadamente un 0,0002 por ciento de lo esperado. Los fotones oscuros se sugirieron como una posible partícula candidata para explicar este misterio, y una nueva ronda de experimentos comenzada a principios de este año debería ayudar a determinar si la anomalía es realmente un descubrimiento.

El último resultado de BaBar, Kolomensky dijo:en gran medida "descarta estas teorías de fotones oscuros como una explicación de la anomalía g-2, cerrar eficazmente esta ventana en particular, pero también significa que hay algo más que impulsa la anomalía g-2 si es un efecto real ".

Es una interacción común y constante entre la teoría y los experimentos, con la teoría ajustándose a las nuevas limitaciones establecidas por los experimentos, y experimentos que buscan inspiración en teorías nuevas y ajustadas para encontrar las siguientes bases de prueba para probar esas teorías.

Los científicos han estado extrayendo activamente los datos de BaBar, Roney dijo, para aprovechar las condiciones experimentales bien entendidas y el detector para probar nuevas ideas teóricas.

"Encontrar una explicación para la materia oscura es uno de los desafíos más importantes de la física actual, y buscar fotones oscuros era una forma natural de que BaBar contribuyera, "Roney dijo, agregando que muchos experimentos en operación o planeados alrededor del mundo buscan abordar este problema.

Una actualización de un experimento en Japón que es similar a BaBar, llamado Belle II, se enciende el año que viene. "Finalmente, Belle II producirá 100 veces más estadísticas en comparación con BaBar, "Dijo Kolomensky." Experimentos como este pueden probar nuevas teorías y más estados, abriendo efectivamente nuevas posibilidades para pruebas y mediciones adicionales ".

"Hasta que Belle II haya acumulado una cantidad significativa de datos, BaBar continuará durante los próximos años para producir nuevos resultados impactantes como este, "Dijo Roney.