Dans ses dernières années de fonctionnement, un collisionneur de particules dans le nord de la Californie a été recentré pour rechercher des signes de nouvelles particules qui pourraient aider à combler certains grands vides dans notre compréhension de l'univers.

Une nouvelle analyse de ces données, co-dirigé par des physiciens du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie, limite certaines des cachettes pour un type de particule théorisée - le photon noir, également connu sous le nom de photon lourd - qui a été proposé pour aider à expliquer le mystère de la matière noire.

Le dernier résultat, publié dans la revue Lettres d'examen physique par les quelque 240 membres de la collaboration BaBar, s'ajoute aux résultats d'une collection d'expériences précédentes cherchant, mais pas encore trouvé, les photons sombres théorisés.

"Bien que cela n'exclue pas l'existence de photons sombres, les résultats de BaBar limitent où ils peuvent se cacher, et exclure définitivement leur explication pour un autre mystère intrigant associé à la propriété de la particule subatomique connue sous le nom de muon, " a déclaré Michael Roney, Porte-parole de BaBar et professeur à l'Université de Victoria.

Matière noire, qui représente environ 85 pour cent de la masse totale de l'univers, n'a été observé que par ses interactions gravitationnelles avec la matière normale. Par exemple, le taux de rotation des galaxies est beaucoup plus rapide que prévu en fonction de leur matière visible, suggérant qu'il y a une masse "manquante" qui est jusqu'à présent restée invisible pour nous.

Les physiciens ont donc travaillé sur des théories et des expériences pour aider à expliquer de quoi est faite la matière noire - qu'elle soit composée de particules non découvertes, par exemple, et s'il peut y avoir une force cachée ou "sombre" qui régit les interactions de telles particules entre elles et avec la matière visible. Le photon noir, s'il existe, a été mis en avant comme porteur possible de cette force obscure.

À l'aide des données recueillies de 2006 à 2008 au SLAC National Accelerator Laboratory à Menlo Park, Californie, l'équipe d'analyse a scanné les sous-produits enregistrés des collisions de particules à la recherche de signes d'une seule particule de lumière - un photon - dépourvue de processus de particules associés.

L'expérience BaBar, qui s'est déroulé de 1999 à 2008 au SLAC, des données collectées à partir de collisions d'électrons avec des positons, leurs antiparticules chargées positivement. Le collisionneur entraînant BaBar, appelé PEP-II, a été construit grâce à une collaboration qui comprenait SLAC, Laboratoire de Berkeley, et Laboratoire national Lawrence Livermore. À son apogée, la collaboration BaBar a impliqué plus de 630 physiciens de 13 pays.

BaBar a été conçu à l'origine pour étudier les différences de comportement entre la matière et l'antimatière impliquant un quark b. Simultanément à une expérience concurrente au Japon appelée Belle, BaBar a confirmé les prédictions des théoriciens et a ouvert la voie au prix Nobel 2008. Le physicien du Berkeley Lab, Pier Oddone, a proposé l'idée de BaBar et Belle en 1987 alors qu'il était directeur de la division de physique du laboratoire.

La dernière analyse a utilisé environ 10 pour cent des données de BaBar - enregistrées au cours de ses deux dernières années d'exploitation. Sa collecte de données a été recentrée sur la recherche de particules non prises en compte dans le modèle standard de la physique - une sorte de livre de règles sur les particules et les forces qui composent l'univers connu.

« BaBar a mené une vaste campagne de recherche de particules du secteur noir, et ce résultat va encore restreindre leur existence, " dit Bertrand Echenard, un professeur de recherche à Caltech qui a joué un rôle déterminant dans cet effort.

Iouri Kolomensky, physicien à la division des sciences nucléaires du Berkeley Lab et membre du corps professoral du département de physique de l'UC Berkeley, mentionné, "La signature (d'un photon sombre) dans le détecteur serait extrêmement simple :un photon de haute énergie, sans aucune autre activité."

Un certain nombre de théories du photon noir prédisent que les particules de matière noire associées seraient invisibles pour le détecteur. Le photon unique, rayonné par une particule de faisceau, signale qu'une collision électron-positon s'est produite et que le photon noir invisible s'est désintégré en particules de matière noire, se révélant en l'absence de toute autre énergie d'accompagnement.

Lorsque les physiciens avaient proposé les photons noirs en 2009, cela a suscité un nouvel intérêt dans la communauté de la physique, et a incité un nouveau regard sur les données de BaBar. Kolomensky a supervisé l'analyse des données, interprété par Mark Derdzinski et Alexander Giuffrida, étudiants de premier cycle de l'UC Berkeley.

"Les photons noirs pourraient combler ce fossé caché entre la matière noire et notre monde, donc ce serait excitant si nous l'avions vu, " a déclaré Kolomenski.

Le photon noir a également été postulé pour expliquer un écart entre l'observation d'une propriété du spin du muon et la valeur prédite pour celle-ci dans le modèle standard. Mesurer cette propriété avec une précision sans précédent est l'objectif de l'expérience Muon g-2 (prononcé gee-moins-deux) au Fermi National Accelerator Laboratory.

Des mesures antérieures au laboratoire national de Brookhaven avaient révélé que cette propriété des muons - comme une toupie avec une oscillation qui est toujours légèrement en dehors de la norme - est d'environ 0,0002 pour cent de ce qui est attendu. Les photons sombres ont été suggérés comme une particule candidate possible pour expliquer ce mystère, et une nouvelle série d'expériences commencées plus tôt cette année devrait aider à déterminer si l'anomalie est réellement une découverte.

Le dernier résultat BaBar, Kolomensky a dit, en grande partie "exclut ces théories du photon noir comme explication de l'anomalie g-2, fermer efficacement cette fenêtre particulière, mais cela signifie également qu'il y a autre chose à l'origine de l'anomalie du g-2 si c'est un effet réel."

C'est une interaction commune et constante entre la théorie et les expériences, avec la théorie s'adaptant aux nouvelles contraintes imposées par les expériences, et des expériences cherchant à s'inspirer de théories nouvelles et ajustées pour trouver les prochains terrains d'essai pour tester ces théories.

Les scientifiques ont activement exploité les données de BaBar, Roney a dit, profiter des conditions expérimentales bien comprises et du détecteur pour tester de nouvelles idées théoriques.

"Trouver une explication à la matière noire est l'un des défis les plus importants de la physique aujourd'hui, et la recherche de photons sombres était un moyen naturel pour BaBar de contribuer, " Roney a dit, ajoutant que de nombreuses expérimentations en cours ou prévues dans le monde cherchent à remédier à ce problème.

Une mise à niveau d'une expérience au Japon qui est similaire à BaBar, appelé Belle II, s'allume l'année prochaine. "Finalement, Belle II produira 100 fois plus de statistiques par rapport à BaBar, " a déclaré Kolomensky. " Des expériences comme celle-ci peuvent sonder de nouvelles théories et plus d'états, ouvrant effectivement de nouvelles possibilités pour des tests et des mesures supplémentaires."

"Jusqu'à ce que Belle II ait accumulé d'importantes quantités de données, BaBar continuera au cours des prochaines années à produire de nouveaux résultats percutants comme celui-ci, " dit Roney.