Karanlık foton leptonik bozunumlarına ilişkin arama sonuçları, yeni bölgeleri hariç tutmayı başarıyor

Koyu fotonlar, hafif parçacıklara (yani fotonlara) benzeyen, ancak normal maddeyle zayıf bir şekilde etkileşime giren varsayımsal parçacıklardır; bu da onların geleneksel deneysel yöntemler kullanılarak tespit edilmesini imkansız veya çok zor hale getirir. Bu parçacıklar karanlık madde adaylarıdır, yani evrenin kütlesinin yaklaşık %85’ini oluşturan görünmez ve anlaşılması zor madde biçimine katkıda bulunabilirler.

Dünya çapında çeşitli enstitülerdeki bilim insanlarının yer aldığı büyük bir araştırma işbirliği olan NA62 İşbirliği, karanlık fotonlara, özellikle de onların leptonik bozunmalarına yönelik yeni bir araştırmanın sonuçlarını yayınladı. Bulguları, yayınlandı içinde Fiziksel İnceleme Mektuplarıışın boşaltma modunda yapılandırılmış CERN’deki NA62 dedektörü tarafından toplanan verilerin analiz edilmesiyle elde edildi.

NA62’nin bir parçası olan Alina Kleimenova ve Stefan Ghinescu, “Karanlık madde araştırmaları şu anda yüksek enerji fiziği topluluğunun en sıcak konularından biri. Hızlandırıcı deneylerinden masa üstü laboratuvar kurulumlarına kadar bir dizi farklı tesiste zayıf etkileşimli parçacıkları arıyoruz.” İşbirliği, Phys.org’a söyledi.

“LHC deneyleri, protonları yaklaşık 14 trilyon elektron voltta parçalayan yüksek çarpışma enerjisine dayanırken, sabit hedefli bir deney olan NA62, kentilyon (10¹⁸) yıllık hedeflenen proton sayısı. Bu yoğunluk, çeşitli nadir süreçleri ve Standart Model senaryolarının ötesini araştırmak için eşsiz bir fırsat yaratıyor.”

A’ olarak da adlandırılan karanlık fotonlar, varlığı NA62 dedektörü tarafından incelenebilen, Standart Modelin ötesindeki varsayımsal parçacıklar arasındadır. Bu parçacıklar bilinen görünür madde ile karanlık madde arasında aracı görevi görebilir.

Spesifik olarak, karanlık fotonlar, Standart Model tarafından tanımlanan fotonlarla karışabilecekleri için sıradan maddeye çiftleşebilirler. Ancak bağlantı son derece zayıf olabilir ve bu da şimdiye kadar neden tespit edilemediklerini açıklayabilir.

Kleimenova ve Ghinescu, “Bu zayıf etkileşim, uzun bir ömre dönüşüyor, bu da NA62 ayarlarında A’nın çürümeden önce onda bir santimetreden yüzlerce metreye kadar yolculuk yapması anlamına geliyor” dedi.

“Teorik olarak, eğer karanlık foton en hafif karanlık madde parçacığıysa ve kütlesi yaklaşık 700 MeV’nin altındaysa, öncelikle elektronlar veya müonlar gibi lepton çiftlerine bozunacaktır. NA62, bu bozunmayı muhtemelen görebilmek için gerekli tüm bileşenlere sahiptir.” imzalar, çok uzun bir ışın hattı (hedeften bozunma hacmine kadar 80 m’nin üzerinde), hassas izleme, zamanlama ve parçacık tanımlama sistemleri ve bu verileri neredeyse arka plandan bağımsız bir modda toplama olanağı sunuyor.”

NA62 İşbirliği tarafından yapılan son çalışmanın temel amacı, CERN’deki NA62 dedektörünün karanlık foton bozunumlarına duyarlılığını araştırmaktı. Ekip, dedektör tarafından toplanan verileri boşaltma modunda yapılandırılırken analiz ederek, karanlık fotonlarla ilişkilendirilebilecek sinyalleri tanımlamayı umuyordu.

Yazarlar, “NA62, hassas ölçümlere ve nadir kaon bozunmalarına ilişkin çalışmalara adanmış bir kaon deneyidir” diye açıkladı. “Deney aynı zamanda ‘boşaltma modunda’ da çalıştırılabilir. Bu modda, kaon üretmek için kullanılan hedefi kaldırabiliyoruz ve 400 GeV proton ışınını normal yoğunluğun iki katı hızda bir soğurucuya aktarabiliyoruz.”

Teorik tahminler, NA62 dedektöründeki protonlar ve atık malzeme arasındaki etkileşimlerin, ışık spektrumunun gizli sektörlerinde, karanlık fotonlar da dahil olmak üzere 1 GeV civarında kütlelere sahip çeşitli parçacıklar üretebileceğini öne sürüyor. Bu parçacıklar daha sonra NA62 deneyinin aletli bölgesinde dolaşabilir ve bozunabilir.

Yazarlar, “Analizimizde aradığımız şey, NA62 aygıtlı bölge içinde bir tepe noktası oluşturan, yalnızca iki zıt yüklü lepton izinin olduğu bir olaydır” dedi. “Bu olayın proton boşalması çarpışmasından kaynaklanması gerektiğinden, iki leptonlu tepe noktasını 80 metre geriye doğru soğurucunun ön düzlemine kadar izliyoruz ve bu izlenen konumun birincil proton etkileşim noktasının konumuyla uyumlu olup olmadığını kontrol ediyoruz.”

Araştırmacılar, son çalışmalarının bir parçası olarak 1,4×106 boyutunda bir veri örneğini analiz etti.¹⁷ NA62 dedektörü tarafından 2021’de toplanan proton yığını. Ancak bu arada dedektör ek veriler topladı ve yaklaşık 10’a ulaşması bekleniyor.¹⁸ NA62 deneyinin sonunda protonlar boşalıyor.

Yazarlar, “Maalesef karanlık fotonlara dair herhangi bir kanıt bulamadık ancak karanlık foton kütlesi ve etkileşim gücü parametre uzayındaki yeni bölgeleri hariç tutmayı başardık” dedi. “Ayrıca, sonuçlarımız diğer modellerde, örneğin eksen benzeri parçacıkları içeren modellerde yeniden yorumlanabilir.”

Ekip henüz karanlık foton bozunumlarını tespit edememiş olsa da, son bulguları bu yakalanması zor parçacıklar için gelecekte yapılacak araştırmalara ışık tutabilir. Kleimenova, Ghinescu ve meslektaşları şimdi sonuçlarını işbirliğinin hadronik son durum analizinin bulgularıyla birleştirmeye çalışıyorlar.

Yazarlar, “Bu mevcut çaba, NA62 tarafından 2021’de toplanan verileri kullanarak karanlık madde aracılarına yönelik kapsamlı bir araştırmayı sonuçlandıracaktır” diye ekliyor.

“Nihai hedefimiz, bu analizi tüm NA62 döküm veri setine genişletmektir. Ayrıca, NA62 tarafından incelenebilecek birkaç Gizli sektör senaryosu daha vardır, örneğin Ağır Nötr Leptonlar (HNL’ler). HNL’ler özellikle ilgi çekicidir çünkü onlar Nötrino kütlelerinin kökeni, evrendeki madde-antimadde asimetrisi ve karanlık maddenin doğası gibi parçacık fiziği ve kozmolojideki bazı temel problemleri ele alıyor.”

© 2024 Science X Ağı