Šta je to tamni foton?

 Mliječni put, slikam gama zracima. Credit: Tim De Chant/NASA/DOE/Fermi LAT 

Fizičari nam pričaju storiju o četiri fundamentalne sile kosmosa: to su elektromagnetna sila, čiji us nositelji fotoni, slaba nuklearna interakcija, jaka nuklearna interakcija i gravitacija. Ponašanje materije ovisi o interakcijama ovih sila. Jaka nuklearna interakcija drži zajedno kvarkove i grade hadrone, a njeni nositelji su gluoni, jedna vrsta bozona prema Standardnom modelu. Slaba interakcija drži na okupu protone i neutrone u nukleusu te je odgovorna za radioaktivni raspad. Standardni model čestica ujedinjuje ove tri sile, ali još nije uspio pripojiti i četvrtu veliku silu - gravitaciju, koja, prema Eisteinovom tumačenju čak i nije sila, nego jedna vrsta zakrivljenosti kontinuuma prostor-vrijeme usljed  postojanja mase. 

Međutim, tamna materija je nešto što naučnici danas označavaju kao "peta fundamentalna sila". Nažalost, do sada imamo samo indikacije da postoje anomalije koje sugeriraju da tamna materija postoji, ali nemamo podtvrdu da i zaista postoji. Kako sam već pisala, tamna materija je ime dobila ne zbog toga što je "tamna" nego zato što ima slabu ili nikakvu interakciju sa materijom koju poznajemo. Ona čini, prema procjenama 85% mase u svemiru (27% ukupne materije).

Jedan od mogućih kandidata za česticu-nositelja tamne materije je tamni foton, koje su kao hipotetsku česticu predložili Sean Carroll (kojeg sam intervjuisala po jednom drugom pitanju), Lotty Ackermann, Matthew R. Buckley i Marc Kamionkowski. Poput naših normalnih fotona, i ovi fotoni prema proračunima nemaju masu. Smatra se da bi hipotetički tamni fotoni mogli biti uzrok g-2 anomalije koja je posmatrana na Broohaven Nacionalnoj laboratoriji prije nekoliko godina. U tom eksperimentu je opaženo kako se eksperimentalna vrijednost magnetskog momenata miona (muona) razlikuje za tri standardne devijacije od teoretskih predviđanja koja koriste Standardni model. 

U sklopu lova na tamnu materiju, CERN je pokrenuo NA64 eksperiment.

Prostim jezikom rečeno, prema riječima Sergeja Gninenka, glasnogovornika NA64 eksperimenta, tamni foton je medijator "prevodilac" između tamne i nama poznate materije. Zapravo, on je nositelj "tamnog elektromagnetizma" i bozon je. Potraga za tamnim fotonom je jedan od rukavaca traženja tamne materije, pored, primjerice, potrage za WIMPs (Weakly iinteracting massive particles). Dakle, u ovom slučaju su radi o potrazi za non-WIMP tamnom materijom. Naravno, sve su to radne hipoteze i vidjećemo gdje će nas potraga odvesti. 

Sam eksperiment, premda pokušava naći dokaze za jedan prilično komplikovan koncept, zasnovan je veoma jednostavnom, zapravo bazičnom principu fizike: zakonu o konzervaciji energije. Snop elektrona, čija je inicijalna energija poznata, propustiće se prema detektoru. U interakciji elektrona i atomskih jezgri u detektoru nastaju fotoni. Energija ovih fotona treba biti jednaka energiji elektrona. Međutim, ukoliko tamni fotoni postoje, onda će oni "pobjeći" detektoru i sa sobom će "odnijeti" jedan dio inicijalne energije elektrona. Zapravo, ta energija koja bi nedostajala bila bi indirektni dokaz postojanja tamnih fotona. Ako se to potvrdi, to bi bio jedan od velikih pomaka u našem razumijevanju svijeta u kojem živimo.