Materia întunecată, această substanță invizibilă misterioasă care reprezintă aproximativ 85% din masa Universului, rămâne unul dintre cele mai mari mistere ale fizicii moderne. Oamenii de știință știu că există pentru că îi observă efectele gravitaționale, dar nu au reușit detectarea directă, lăsând un gol în înțelegerea noastră a cosmosului. Printre candidații pentru acest material evaziv, cercetătorii studiază particule teoretice fascinante: fotonii întunecați. Colaborarea NA62, un grup de cercetători din cadrul CERN, a publicat recent în Physical Review Letters, rezultatele unui experiment de ultimă oră care le explorează proprietățile.
Fotonii întunecați sunt particule ipotetice care împărtășesc anumite caracteristici cu fotonii, particulele de lumină. Spre deosebire de acestea din urmă, care interacționează ușor cu materia și se propagă prin transportul de energie sub formă de lumină, fotonii întunecați interacționează foarte slab cu materia obișnuită. Această interacțiune slabă le-ar putea conferi apoi proprietăți unice (imaginați-vă un fel de mantie de invizibilitate), care le permite să treacă neobservate.
Fotonii întunecați prezintă un interes deosebit în cercetarea materiei întunecate, substanța invizibilă și evazivă care alcătuiește cea mai mare parte a masei Universului. Ca o amintire, această materie nu emite lumină și practic nu interacționează cu materia obișnuită, dar influența sa gravitațională este observată în mod clar la scară largă în cosmos. Dacă fotonii întunecați există, ei ar putea acționa ca o legătură între materia vizibilă pe care o cunoaștem și această misterioasă materie întunecată și ar putea juca un rol de mediatori între cele două tipuri de materie.
Detectând fotonii întunecați, oamenii de știință ar putea ridica vălul asupra uneia dintre cele mai fundamentale întrebări din cosmologie: natura materiei întunecate și din ce este format cu adevărat Universul nostru.
Detectarea fotonilor întunecați nu este o sarcină simplă, deoarece, așa cum s-a spus anterior, aceste particule interacționează atât de slab cu materia, încât trec literalmente neobservate. Dacă ar exista, acești fotoni întunecați s-ar descompune în perechi de particule numite leptoni după parcurgerea unei anumite distanțe (de la câțiva centimetri la câțiva metri). Pentru a încerca să facă față acestei provocări, CERN, unul dintre cele mai mari centre de fizică a particulelor din lume, a înființat colaborarea NA62. În mod tradițional, experimentele CERN, precum cele de la LHC, implică ciocniri de protoni cu energie foarte mare pentru a crea noi particule. NA62 folosește o abordare diferită numită experiment cu țintă fixă. În această configurație, un fascicul intens de protoni lovește o țintă fixă, generând un număr mare de ciocniri care pot dezvălui procese rare.
Pentru a studia fotonii întunecați, NA62 folosește un mod de descărcare. Aceasta înseamnă că oamenii de știință îndepărtează temporar ținta folosită pentru experimentele convenționale, permițând protonilor să lovească un absorbant, un material destinat să producă alte tipuri de particule, inclusiv fotoni întunecați. Cu această abordare, NA62 este capabil să exploreze o zonă anterior inaccesibilă a spectrului de particule. După luni de analiză, cercetătorii NA62 și-au anunțat rezultatele pentru 2021. Deși nu au găsit dovezi directe ale fotonilor întunecați, au reușit să excludă unele configurații posibile, inclusiv anumite combinații de masă și forța de interacțiune a acestor particule. Cu alte cuvinte, au restrâns domeniul de cercetare prin excluderea anumitor proprietăți ale fotonilor întunecați care ar fi putut explica invizibilitatea lor.
Aceste rezultate sunt importante deoarece orientează cercetarea către căi mai promițătoare. În plus, datele obținute pot fi reutilizate și pentru a studia alte particule teoretice, cum ar fi axionii și leptonii neutri grei (HNL), particule care ar putea juca, de asemenea, un rol în înțelegerea materiei întunecate.
