Galaxy cluster Abell 1689 seems to be held together by swaths of unseen dark matter; blue shows its theoretically inferred location. But could dark matter be an illusion? Credit: NASA

L’idea dei fotoni ‘scuri’ come particelle candidate di materia scura

In un recente articolo apparso su Physical Review Letters, un gruppo di tre fisici suggerisce che i risultati di un esperimento condotto negli anni ’80 pone dei limiti all’idea secondo la quale i fotoni ‘scuri’ potrebbero essere le particelle candidate per spiegare la natura della materia scura. Gli scienziati, Brian Batell, Rouven Essig e Ze’ev Surujon, fanno notare che esiste già una proposta per realizzare un esperimento, non troppo costoso, che potrebbe essere utilizzato come test per verificare, o smentire, questa ipotesi.

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Illustrazione secondo il diagramma di Venn degli attuali modelli che descrivono le principali particelle candidate per spiegare la materia scura.

Gli attuali modelli suggeriscono che la materia scura sia composta sostanzialmente da particelle massicce, chiamate WIMP, che interagiscono debolmente con la materia ordinaria. I fisici hanno già predisposto tutta una serie di esperimenti sparsi sul globo allo scopo di osservare questa ipotetica particella che, però, non è stata ancora rivelata. Nel frattempo, emergono altre idee, come quella che riguarda la particella χ: se esiste, essa dovrebbe interagire con le altre particelle mediante una forza di tipo elettromagnetica che potrebbe essere mediata da una particella analoga al fotone, chiamata “fotone scuro” (dark photon). Inoltre, se queste particelle esistono davvero, dovrebbero interagire con le particelle che compongono la materia ordinaria e quindi essere osservabili. Qui è dove entrano in gioco i dati del vecchio esperimento.Dal 1980 al 1982, i ricercatori del SLAC National Accelerator Laboratory hanno condotto una serie di esperimenti accelerando elettroni di alta energia verso un bersaglio di alluminio in modo da analizzare le particelle prodotte a seguito del processo di collisione. I tre scienziati credono che le particelle χ sarebbero dovute emergere così come interagire, mediante i ‘fotoni scuri’, con almeno qualche elettrone. Tuttavia, i ricercatori che hanno lavorato agli esperimenti non hanno riportato alcuna deviazione, in termini di rinculo, nelle tracce lasciate dagli elettroni, il che suggerisce che se fossero stati presenti i ‘fotoni scuri’, si sarebbero registrate certamente delle variazioni nelle proprietà degli elettroni. I vecchi esperimenti non smentiscono l’esistenza delle particelle χ, piuttosto suggeriscono che la teoria richieda un ulteriore approfondimento per descrivere con maggiori dettagli le proprietà di queste ipotetiche particelle ‘scure’. A tal fine, altri fisici hanno già proposto la realizzazione di un nuovo esperimento, denominato Beam-Dump eXperiment (o BDX) presso il Jefferson Laboratory, che potrebbe produrre un numero di eventi incrementato di un fattore 100 rispetto a quello condotto negli anni ’80. Si spera, quindi, di ricavare preziosi indizi che possano provare in definitiva l’esistenza di ‘fotoni scuri’ e, forse, anche della stessa materia scura.

arXiv: Strong Constraints on Sub-GeV Dark Matter from SLAC Beam Dump E137

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