Los fotones oscuros son partículas hipotéticas que se parecen a las partículas de luz (es decir, los fotones), pero que interactúan débilmente con la materia normal, lo que haría imposible o muy difícil detectarlas utilizando métodos experimentales convencionales. Estas partículas son candidatas a materia oscura, lo que significa que podrían contribuir a la forma invisible y elusiva de materia que representa aproximadamente el 85% de la masa del universo.
La Colaboración NA62, una gran colaboración de investigación en la que participan científicos de varios institutos de todo el mundo, ha publicado los resultados de una nueva búsqueda de fotones oscuros, específicamente de sus desintegraciones leptónicas. Sus hallazgos, publicados en Physical Review Letters, se obtuvieron analizando los datos recopilados por el detector NA62 en el CERN configurado en modo de descarga de haz.
«Las búsquedas de materia oscura son actualmente uno de los temas más candentes en la comunidad de la física de alta energía. Buscamos partículas que interactúan débilmente en una serie de instalaciones diferentes, que van desde experimentos con aceleradores hasta configuraciones de laboratorio de sobremesa», dijeron a Phys.org Alina Kleimenova y Stefan Ghinescu, parte de la Colaboración NA62.
«Mientras que los experimentos del LHC se basan en la alta energía de colisión, haciendo chocar protones a unos 14 billones de electronvoltios, NA62, al ser un experimento de objetivo fijo, se centra en el enfoque de alta intensidad con un quintillón (1018) de protones en el objetivo por año. Esta intensidad crea una oportunidad única para investigar varios procesos raros y escenarios más allá del Modelo Estándar».
Los fotones oscuros, también conocidos como A’, se encuentran entre las partículas hipotéticas más allá del Modelo Estándar cuya existencia podría ser investigada por el detector NA62. Estas partículas podrían actuar como mediadoras entre la materia visible conocida y la materia oscura.
En concreto, los fotones oscuros podrían acoplarse a la materia ordinaria, ya que podrían mezclarse con los fotones descritos por el Modelo Estándar. Sin embargo, el acoplamiento sería extremadamente débil, lo que explicaría por qué no se han detectado hasta ahora.
«Esta débil interacción se traduce en una larga vida útil, lo que significa que en los entornos de NA62, A’ viajaría desde décimas de centímetros hasta cientos de metros antes de desintegrarse», dijeron Kleimenova y Ghinescu.
«Teóricamente, si el fotón oscuro es la partícula de materia oscura más ligera y tiene una masa inferior a aproximadamente 700 MeV, se desintegraría principalmente en pares de leptones, como electrones o muones. NA62 tiene todos los ingredientes necesarios para poder ver estas firmas de desintegración, presentando una línea de haz muy larga (más de 80 m desde el objetivo hasta el volumen de desintegración), sistemas precisos de seguimiento, cronometraje e identificación de partículas y la posibilidad de recopilar estos datos en un modo casi sin fondo».
El objetivo principal del reciente estudio de la Colaboración NA62 era investigar la sensibilidad del detector NA62 del CERN a las desintegraciones de fotones oscuros. Mediante el análisis de los datos recopilados por el detector mientras estaba configurado en el llamado modo dump, el equipo esperaba identificar señales que pudieran estar asociadas a los fotones oscuros.
«NA62 es un experimento de kaones dedicado a mediciones de precisión y estudios de desintegraciones de kaones poco frecuentes», explicaron los autores. «El experimento también puede funcionar en ‘modo de descarga’. En este modo, podemos retirar el objetivo utilizado para producir kaones y descargar el haz de protones de 400 GeV sobre un absorbedor con el doble de intensidad de lo habitual».
Las predicciones teóricas sugieren que las interacciones entre los protones y el material de descarga en el detector NA62 podrían producir varias partículas en sectores ocultos del espectro de luz con masas de alrededor de 1 GeV, incluidos fotones oscuros. Estas partículas podrían luego viajar y desintegrarse en la región instrumentada del experimento NA62.
«Lo que buscamos en nuestro análisis es un evento con solo dos pistas de leptones con carga opuesta, que forman un vértice dentro de la región instrumentada de NA62», dijeron los autores. «Dado que este evento debería tener su origen en la colisión del protón-volcado, rastreamos el vértice de dos leptones 80 metros hasta el plano frontal del absorbedor y verificamos si esta posición rastreada es compatible con la ubicación del punto de interacción del protón primario».
Como parte de su estudio reciente, los investigadores analizaron una muestra de datos de 1,4×1017 protones en volcado recopilados por el detector NA62 en 2021. Mientras tanto, sin embargo, el detector ha recopilado datos adicionales y se espera que alcance aproximadamente 1018 protones en volcado para el final del experimento NA62.
«Desafortunadamente, no encontramos ninguna evidencia de fotones oscuros, pero logramos excluir nuevas regiones en el espacio de parámetros de masa e intensidad de interacción de fotones oscuros», dijeron los autores. «Además, nuestros resultados pueden reinterpretarse dentro de otros modelos, por ejemplo, aquellos que involucran partículas similares a axiones».
Si bien el equipo aún no detectó desintegraciones de fotones oscuros, sus hallazgos recientes podrían informar futuras búsquedas de estas esquivas partículas. Kleimenova, Ghinescu y sus colegas están trabajando ahora en la combinación de sus resultados con los hallazgos del análisis de estados finales hadrónicos de la colaboración.
«Este esfuerzo actual concluiría una búsqueda exhaustiva de mediadores de materia oscura utilizando datos recopilados por NA62 en 2021», añaden los autores.
«Nuestro objetivo final es ampliar este análisis a todo el conjunto de datos de volcado de NA62. Además, hay algunos escenarios más del sector oculto que podrían ser investigados por NA62, por ejemplo, los leptones neutros pesados (HNL). Los HNL son particularmente interesantes porque pueden abordar varios problemas clave en la física de partículas y la cosmología, como el origen de las masas de los neutrinos, la asimetría materia-antimateria en el universo y la naturaleza de la materia oscura».
Con información de Physical Review Letters
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