Zehn Jahre alte BaBar-Daten erlaubten, die Beschränkungen für dunkle Photonenparameter zu verbessern. • Mikhail Stolpovsky • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Dunkle Materie, Suche nach neuer Physik

Zehn Jahre alte BaBar-Daten erlaubten uns, die Beschränkungen für dunkle Photonenparameter zu verbessern

Abb. 1. Das BaBar-Experiment, das von 1999 bis 2008 am PEP-II-Beschleuniger im SLAC National Accelerator Laboratory arbeitete. Das Foto wurde während der Abschaltung des Beschleunigers für technische Ereignisse aufgenommen. Die Richtung des Teilchenstrahls durchläuft den Fotografen. Die Teile des Myon-Detektors (im Vordergrund) werden auseinander bewegt, um den Zugang zum zentralen Teil der Einrichtung zu öffnen. Die wissenschaftliche Hauptaufgabe des Experiments war die Untersuchung von CP-Symmetrien in Zerfällen von B-Mesonen (siehe news Nobelpreis für Physik – 2008, "Elements", 10.10.2008). PEP-II ist ein asymmetrischer Beschleuniger von Elektronen und Positronen. Der BaBar-Versuchsaufbau ähnelt vielen anderen Collider-Installationen: einem tonnenförmigen Detektorsystem, das die Kollision von Teilchenstrahlen umgibt. Die Installation ist von einem großen Magneten umgeben, der durch die Ablenkung von Teilchen in einem Magnetfeld die Messung von Ladung und Impuls ermöglicht. Die Kollisionsenergie ist auf die Masse des B-Mesons abgestimmt, wodurch es möglich ist, sie mit hoher Effizienz zu erhalten. Und da die Elektronen- und Positronenstrahlen eine leicht unterschiedliche Energie haben (die Worte "asymmetrischer Beschleuniger" meinen es einfach), hatten die erzeugten B-Mesonen im Koordinatensystem des Detektors ein Nicht-Null-Moment, und durch die Entfernung vor dem Zerfall war es leicht zu messen die Zeit ihres Lebens. Fotos von phys.org

In den letzten Jahren seiner Arbeit wandte sich das BaBar-Experiment der Suche nach Hinweisen auf die Existenz neuer Teilchen zu, die einige Lücken in unserem Verständnis des Universums füllen könnten. Fast zehn Jahre sind seitdem vergangen, das Experiment wurde gestoppt, aber die Physiker untersuchen weiterhin die gesammelten Daten. Ihre Analyse hat dazu beigetragen, die Beschränkungen der Parameter eines der hypothetischen neuen Teilchen zu verbessern – das dunkle Photon, das wie erwartet die Natur der dunklen Materie erklären könnte.

Dunkles Photon

Astronomische Beobachtungen zeigen, dass unser Universum nicht nur aus normaler Materie, sondern auch aus dunkler Materie besteht. Darüber hinaus ist die Menge an dunkler Materie Schätzungen zufolge fünfmal größer als die Menge an gewöhnlicher Materie. Dunkle Materie manifestiert sich nur durch gravitative Wechselwirkung: Zum Beispiel zeigen die Drehgeschwindigkeiten von Galaxien, dass der größte Teil der Materie in ihnen unsichtbar ist (mehr dazu im Artikel "Wie sie nach Dunkler Materie suchen"). Dieser unsichtbare Teil nennen wir dunkle Materie. Es gibt verschiedene Hypothesen über seine Natur. Eine der häufigsten Ursachen ist die Anwesenheit von Teilchen, die nicht im Standardmodell enthalten sind und die nicht mit anderen Teilchen interagieren als gravitativ (oder interagieren, aber extrem schwach).

Wie Sie verstehen, konnten Physiker solch ein gesegnetes Thema nicht alleine lassen und begannen zu versuchen, noch nicht offene Teilchen zu "erfinden" (Physiker studieren dunkle Kräfte und andere dunkle Phänomene, "Elemente", 01.04.2015). Es wurde vorgeschlagen, dass Teilchen der Dunklen Materie miteinander interagieren können. Die Grundlage dieser Annahme ist der ewige Wunsch der Physiker, alle Naturerscheinungen durch ein einziges Gesetz zu beschreiben. Am Ende wäre es seltsam, wenn sich dunkle Materieteilchen grundlegend von gewöhnlichen, vertrauten Teilchen des Standardmodells unterscheiden. Daher ist es logisch, dunkle Materiepartikel mit Eigenschaften zu versehen, die den Eigenschaften von "leichten" Partikeln ähnlich sind, nämlich ihnen die Fähigkeit zu verleihen, miteinander zu interagieren. Träger dieser Wechselwirkung ist das sogenannte dunkle Photon (R. Essig et al., 2013. Dunkle Sektoren und neue, leichte, schwach gekoppelte Teilchen). Dieses hypothetische Teilchen hat einen solchen Namen erhalten, weil es ein Träger des "dunklen Elektromagnetismus" ist. Das heißt, es ist dem gewöhnlichen Photon ähnlich, aber wirkt nur für Teilchen der dunklen Materie.

Es wird angenommen, dass ein dunkles Photon sich mit gewöhnlichen hellen Photonen "kinetisch vermischen" – mit anderen Worten interagieren kann.Diese Wechselwirkung kommt natürlich äußerst selten vor – sonst wäre die dunkle Materie nicht dunkel. Aber mit ausreichenden Statistiken konnte es beobachtet werden. Die Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung zwischen dunklen Photonen und gewöhnlichen Photonen wird mit der dimensionslosen Konstante ε parametrisiert, die um so kleiner ist, je schwächer die Wechselwirkung ist. Insbesondere sollte der dunkle Elektromagnetismus in ε wirken2 mal schwächer als normale elektromagnetische Wechselwirkung. Wir werden nicht auf die Diskussion verschiedener Modelle des dunklen Photons eingehen. Wir werden nur sagen, dass verschiedene Wissenschaftler verschiedene Ansätze für ihre Beschreibung versuchen: Dies sind Stringtheorien und Annahmen über neue Symmetrien der Teilchenphysik usw. In verschiedenen Modellen wird ε auf 10 geschätzt−12 bis 10−3. Dieselben Modelle sagen eine dunkle Photonenmasse der Ordnung MeV-GeV voraus.

Das BaBar-Experiment, das von 1999 bis 2008 am SLAC National Accelerator Laboratory arbeitete, sammelte signifikante Statistiken über Kollisionen von Elektronen mit Positronen, deren Analyse noch im Gange ist. In den letzten zwei Jahren hat BaBar nach neuen Partikeln gesucht, die das Standardmodell erweitern. Als im Jahr 2009 dunkle Photonen vorgeschlagen wurden, beschloss das BaBar-Team, den vorhergesagten Effekt in ihren Daten zu suchen.Mit den in den Jahren 2006-2008 gewonnenen Daten konnten ausreichend starke Einschränkungen der Parameter des dunklen Photons festgestellt werden. Die dunkle Photonen-Signatur im Experiment ist eindeutig: Wenn ein dunkles Photon in einem Teilchenkollisionsprozess in einem Beschleuniger entsteht, dann sollte ein hochenergetisches Photon im Detektor ohne andere Teilchen beobachtet werden. Die vollständige Veranstaltung wird wie folgt aussehen:

\ [\ begin % % e ^ + + e ^ – \ rightarrow \ gamma + A \ \ phantom {e ^ + + e ^ – \ rightarrow \ gamma +! !} A \ \ rightarrow \ chi \ bar \ chi \ end % \]

Das heißt, in der Kollision eines Elektrons und eines Positrons (der linke Teil der ersten Reaktion) entsteht ein Paar aus einem Photon (γ) und ein dunkles Photon (A '), die dann in zwei dunkle Materieteilchen zerfällt (zweite Reaktion). Kein dunkles Photon A 'noch Teilchen der dunklen Materie χ Gib kein Signal in den Detektor. Nur ein Photon bleibt übrig, welches das bestimmende Signal für ein Ereignis mit einem dunklen Photon sein wird. Darüber hinaus muss das Photon eine Energie haben, die geringer ist als die Kollisionsenergie der Anfangspartikel.

Es ist bekannt, mit welchen Energien Elektronen und Positronen im Collider beschleunigt werden. Sie können auch die Gesamtenergie der im Detektor aufgezeichneten Partikel messen. Subtrahiert man die Sekunde von der ersten, erhält man die verlorene Masse, die ein Teilchen der dunklen Materie bildet.Wenn ein Peak im Spektrum der verlorenen Masse beobachtet wird, wird dies das Vorhandensein von dunklen Partikeln anzeigen, die erzeugt werden. In den letzten zwei Jahren hat BaBar 35,9 fb angesammelt−1 Daten, mit denen wir interessante Ergebnisse über dunkle Photonen erhalten konnten. Das verlorene Massenspektrum ist in Abb. 2

Abb. 2 Unten – Spektrum auf dem Quadrat der verlorenen Masse Mx2. Auf der vertikalen Achse zeigt die Anzahl der Ereignisse pro Segment der horizontalen Achse 0,5 GeV breit2. Punkte mit Fehlern – experimentelle Daten, ein Signal, das einer dunklen Photonenmasse von 6,21 GeV entspricht, wird gezeigt rote Linie, lila gepunktete Linie – verschiedene Hintergrundereignisse, blaue Linie – vollständige Auswahl. Oben – Datenabweichungen von der blauen Linie. Zeitplan von Artikel in der Diskussion Physische Überprüfungsschreiben

Der Peak in diesem Graph entspricht der Hypothese eines dunklen Photons mit einer Masse von 6,21 GeV. Der Parameter & epsi; für ein solches dunkles Photon würde in der Größenordnung von 10 liegen−3. Aber das bedeutet nicht, dass ein solches Photon offen ist. Die Signifikanz des Peaks ist 3,1σ. Und die Simulation zeigt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein ähnlicher Peak irgendwo im Spektrum zufällig auftritt, ungefähr 1% beträgt. Das heißt, die globale Signifikanz sinkt auf 2,6σ.Was es noch zweifelhafter macht, dass dies tatsächlich ein Signal von einem dunklen Photon ist, ist die Signifikanz des Signals in Abhängigkeit von der Hypothese über die Masse eines dunklen Photons, die in Abb. 3

Abb. 3 Bedeutung des dunklen Photonenpeaks in Einheiten der Standardabweichung σ als Funktion der dunklen Photonenmasse mA '. Es wird erwartet, dass das dunkle Photonsignal ein Peak auf einem kontinuierlichen Hintergrund im Spektrum von Fig. 2. Aber es ist unbekannt, wo dieser Gipfel erscheinen sollte. Daher werden alle möglichen Orte auf dem gemessenen Spektrum überprüft. Die Signifikanz der resultierenden möglichen dunklen Photonsignale ist in diesem Graphen gezeigt. Zum Beispiel in Abb. 2 gibt es einen Aufwärtspunkt im Bereich von 48 GeV2 (Masse jeweils etwas weniger als 7 GeV). Wenn wir diesen Punkt als den Peak eines dunklen Photons betrachten, dann wird seine statistische Signifikanz – wir betrachten diesen Graph – nur etwas mehr als eine Standardabweichung betragen. Es ist ersichtlich, dass der Peak bei 6,21 GeV am wahrscheinlichsten, aber nicht der einzig mögliche ist. Zeitplan von Artikel in der Diskussion Physische Überprüfungsschreiben

Verständlicherweise, wenn es so viele Hinweise auf dunkle Photonen gibt, nimmt ihre Glaubwürdigkeit ab. Das BaBar-Team hat alles Mögliche getan, um mögliche Hintergrundereignisse zu berücksichtigen.Zum Beispiel können ein Elektron und ein Positron mit der Geburt eines einzelnen Photons aneinander vorbeifliegen – ein solches Ereignis wird eine Signatur ergeben, die wie ein dunkles Photon aussieht. Angesichts der begrenzten Statistik und der verfügbaren systematischen Fehler wurde das dunkle Photon im BaBar-Experiment nicht gefunden.

Aber man sollte nicht denken, dass, da das dunkle Photon noch nicht gefunden wurde, es keine Nachrichten gibt. Die Arbeit an BaBar öffnet ein Fenster zu einem anderen interessanten Thema der Physik, und mehr dazu unten.

Magnetisches Moment von Myon

Professor Michael Roney (Michael Roney), offizieller Sprecher der BaBar, spricht über die diskutierte Arbeit: "Obwohl es die Existenz dunkler Photonen nicht widerlegt, begrenzen die BaBar-Ergebnisse ihre gültigen Parameter und widerlegen eindeutig die Erklärung mit dunklen Photonen eines anderen faszinierenden Puzzles, das mit den Eigenschaften eines anderen subatomaren Teilchens, bekannt als Myon, zusammenhängt". Lasst uns erklären, was das ein Geheimnis mit einem Myon ist.

Myon kann man sich als einen kleinen Magneten vorstellen, der sich ebenfalls wie ein Top um seine Achse dreht (dies ist eine Analogie für den Spin eines Myons). Die Stärke des Magneten und die Geschwindigkeit seiner Rotation bestimmen sein gyromagnetisches Verhältnis g. In erster Näherung sollte der Wert von g gleich 2 sein.Betrachtet man jedoch das gyromagnetische Moment des Myons, greifen verschiedene Prozesse in die Materie ein, von denen einige in Abb. 4

Abb. 4 Beispiele bekannter Prozesse, die das magnetische Moment eines Myons verändern. Diagramme sollten links (das war zuerst) nach rechts gelesen werden (was am Ende passiert ist). Oben Jedes Diagramm zeigt ein Photon, das die Wirkung eines externen Magnetfelds auf ein Myon zeigt. Der gebräuchlichste (und einfachste) Prozess ist im Diagramm dargestellt. a): Myon fliegt hoch, interagiert mit einem Photon und fliegt davon. Daneben sind aber auch Prozesse möglich, an denen virtuelle Partikel beteiligt sind. b) – der Beitrag des virtuellen Photons, der vom Myon zur Wechselwirkung mit dem äußeren Feld emittiert und danach absorbiert wurde, c) – Beitrag von schwacher Interaktion, d) – Hadronenpolarisation des Vakuums, e) – Hadron-Lichtstreuung auf das Licht. Bild von W. Gohn, 2016. Das Myon g-2-Experiment am Fermilab, mit Modifikationen

Das Problem ist, dass selbst unter Berücksichtigung dieser Prozesse der gemessene Wert des magnetischen Moments des Myons nicht mit dem theoretischen übereinstimmt. Der Wert, der im Experiment E821 (das letzte Experiment, das das magnetische Moment eines Myons gemessen hat) erhalten wurde, das in ihrer letzten Arbeit von 2006 veröffentlicht wurde (G. W. Bennett et al., 2006.Endbericht der Messung des anomalen magnetischen Moments des Myon E821 bei BNL), unterscheidet sich sehr wenig von der Vorhersage des Standardmodells: Der gemessene Wert von g unterscheidet sich von der theoretischen Vorhersage nur in 8 Dezimalstellen. Die Signifikanz der Abweichung beträgt in diesem Fall jedoch 3,6σ. Dies ist ein ziemlich ernsthafter Hinweis darauf, dass das anomale magnetische Moment des Myons tatsächlich anomal ist (man erinnere sich, dass man davon ausgeht, dass die Entdeckung eine 5σ-Abweichung erfordert).

Was kann das anomale magnetische Moment des Myons anzeigen? In einem 2016 Artikel, Das Myon g-2 Experiment am Fermilab, ist eine Liste von möglichen Erklärungen wie folgt: Supersymmetrie und andere neue Physik, und auch – wer würden Sie denken? – dunkles Photon!

Jetzt zurück zur BaBar. In Abb. 5 zeigt die Einschränkungen der Dunklen Photonenphysik.

Abb. 5 Einschränkungen für die Werte von ε für dunkle Photonen, abhängig von ihrer Masse. Orange Bereich ausgeschlossen in E787- und E949-Experimenten an Kaonzerfällen (S. Adler et al., 2002. arXiv: hep-ex / 0111091, A.V. Artamonov et al., 2009. arXiv: 0903.0030), blauer Bereich durch Messungen des magnetischen Moments eines Elektrons ausgeschlossen (G. W. Bennett et al., 2006. Endbericht der Messung des anomalen magnetischen Moments von Myon E821 bei BNL), blau – im NA64-Experiment (D. Banerjee et al., 2017. Suche nach unsichtbaren Entscheidungen des Sub-GeV am CERN SPS). Grünfläche in der Arbeit des BaBar-Experiments ausgeschlossen. In rot zeigt den Bereich von ε (mit einem Intervall von 5 Standardabweichungen), der das anomale Moment des Myons mit dunklen Photonen erklären könnte.Abbildung aus dem besprochenen Artikel in Physische Überprüfungsschreiben

Wenn es ein dunkles Photon mit einer Masse und entsprechend der roten Region in Abb. 5, könnte er den anomalen Wert des magnetischen Moments des Myons erklären. Aber es ist klar, dass die neuen Daten BaBar diesen Bereich vollständig ausschließen. Dies bedeutet, dass wir ein dunkles Photon aus der Liste von Prozessen streichen können, die die Anomalie des magnetischen Moments eines Myons erklären. Das heißt, entweder müssen Sie im Bereich der Supersymmetrie suchen, oder einige perfekte exotische sind hier gemischt.

Was weiter?

Um eine präzise Messung des anomalen magnetischen Moments des Myons durchzuführen, wurde das Experiment Myon g-2 (ausgesprochen "Myon ji-minus-tu") gestartet, das sich in Fermilab befindet. Der Name des Experiments bedeutet, dass es die Abweichung von g von zwei misst. Das Muon-g-2-Experiment sollte mehr Messstatistiken als das E821-Experiment erhalten, mit weniger systematischen Fehlern. Wenn die Abweichung auf dem aktuellen Niveau bestätigt wird, wird der Unterschied zwischen Theorie und Experiment 7,5 s erreichen und kritisch werden.

Abb. 6 Versuch Muon g-2. Sein Hauptteil ist ein supraleitender Ringmagnet mit einem sehr gleichförmigen Feld.Ein Bündel Myonen mit gleichgerichteten Spins wird zum Ring geschickt, wo die Rücken von einer Seite zur anderen wandern – die Präzession beginnt. Die Stärke dieses Schwingens hängt direkt vom Parameter g ab. Muonen zerfallen in ein Positron und zwei Neutrinos, und der Wert des gyromagnetischen Verhältnisses des Myons kann durch die Energie der Positronen gemessen werden und ihre Anzahl hängt von der Zeit ab, nach der der Strahl in den Ring eingeführt wird. Fotos von en.wikipedia.org

Das Muon g-2 Experiment begann diesen Sommer. Wir freuen uns auf seine Ergebnisse, denn sie können entweder das Fenster zu einer neuen Physik bestätigen oder schließen. Natürlich möchte ich, dass die Anomalie bestätigt wird. Hier erinnert die Situation an einige Monate vor der Entdeckung des Higgs-Bosons (siehe die News Higgs-Boson: Entdeckung und Pläne für die Zukunft, "Elements", 16.07.2012), als sich Physiker der bevorstehenden Entdeckung bewusst wurden, dass es besser wäre kein vorhergesagtes Teilchen, denn in diesem Fall wird das Standardmodell vervollständigt, und der Durchbruch in die Neue Physik wird auf unbestimmte Zeit verschoben. Nein, niemand hat gemeint, dass das Higgs-Boson keine große Entdeckung ist. Aber ich will etwas Neues! Das anomale magnetische Moment des Myons ist ein vielversprechender Effekt, der die gesamte moderne Physik beeinflussen kann. Es ist jedoch Wert, in den Erwartungen vorsichtig zu sein.So stellte sich beispielsweise ein Teilchen mit einer Masse von 750 GeV, das auch in Bezug auf die Neue Physik vorhergesagt wurde, als statistischer Fehler heraus.

Inzwischen ist das Belle-II-Experiment in Japan in Vorbereitung. Die erste Belle (oder die erste? – weil auf Französisch Schöne bedeutet "Schönheit") nahm an der Entdeckung der Verletzung der CP-Symmetrie in Zerfällen von B-Mesonen teil, was auch BaBar zur gleichen Zeit tat. Diese Arbeit half, die Grundlagen des Standardmodells zu validieren. Wer weiß, vielleicht hilft Belle II jetzt, die Grundlagen zu lockern und ein dunkles Photon zu öffnen? Wir werden sehen. Wir stellen fest, dass die Suche nach Neuer Physik eine der Prioritäten von Belle II ist. Der Experimentdetektor wurde im April dieses Jahres auf dem SuperKEKB-Beschleuniger installiert und der Start ist für Anfang 2018 geplant.

Abb. 7 Versuch Belle II (Schema auf der linken Seite), eine Fortsetzung des Belle-Experiments, des japanischen Zwillingsbruders des BaBar-Experiments: eine ähnliche Versuchsanordnung mit den gleichen Aufgaben, ebenfalls auf einem asymmetrischen Elektron-Positron-Collider, aber mit größerer Empfindlichkeit, und auf einem SuperKEKB-Beschleuniger mit größerer Leuchtkraft. Karten von phy.olemiss.edu und rjs.phys.uvic.ca

Quelle: J. P. Lees et al. (BaBar Zusammenarbeit). Suche nach Invisible Dark Photon Produziert in e+e Kollisionen bei der BaBar // Physische Überprüfungsschreiben. 2017. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.119.131804. (Der Preprint Artikel arXiv: 1702.03327 [hep-ex] ist verfügbar.)

Michail Stolpowski


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