Límites de exclusión de NA64 al supuesto fotón oscuro a 16,7 MeV observado por ATOMKI

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En 2016 el experimento ATOMKI observó con 6,8 sigmas una nueva partícula con una masa de 16,7 MeV/c². En concreto, se observó un exceso en la producción de pares electrón-positrón en las desintegraciones nucleares del Be-8 excitado. Dicha partícula se interpretó como un nuevo bosón gauge protófugo (un fotón oscuro exótico llamado X). El experimento NA64 del CERN ha buscado dicha partícula y no la ha encontrado. No la descarta aún por completo, pero excluye casi la mitad de la región permitida hasta ahora. Ahora su posible acoplamiento al electrón, εe, se reduce a la región εe ∈ [4,2 , 14] × 10−4.

“Los primeros indicios de una nueva fuerza fundamental”, LCMF, 25 May 2016, generaron un enorme revuelo mediático. Muchos me habéis preguntado en varias ocasiones “¿cuál es el estado actual de la quinta fuerza fundamental de ATOMKI?”, LCMF, 15 Jun 2017. Por desgracia, los progresos en el estudio de esta supuesta partícula descubierta por físicos húngaros han sido lentos. Pocos experimentos se dedican al estudio de esta región de baja masa (ya que solo partículas muy exóticas podrían haber escapado a los intensos estudios realizados hace más de cinco décadas). La esperanza estaba puesta en el experimento DarkLight del Jefferson Laboratory, que empezó a buscar un fotón oscuro en el rango de masas de 10 a 100 MeV/c² en 2016 (primera fase), pero aún no ha publicado sus primeros análisis; de hecho, en el rango de baja masa solo la segunda fase podrá excluir (o encontrar) de forma definitiva el bosón X de ATOMKI.

Lo importante es que la búsqueda continúa. Solo han pasado dos años y el cerco se está estrechando. Creo que habrá noticias de DarkLight en menos de un año. Habrá que estar al tanto. Mientras tanto, el nuevo artículo es D. Banerjee, V.E. Burtsev, …, P. Ulloa, “Search for a new X(16.7) boson and dark photons in the NA64 experiment at CERN,” Phys. Rev. Lett. 120: 231802 (2018), doi: 10.1103/PhysRevLett.120.231802, arXiv:1803.07748 [hep-ex].

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Quizás algunos lectores se extrañen de que buscar una partícula de baja masa (menos de 0,1 GeV/c²) sea tan difícil, habiendo colisionadores tan poderosos como el LHC (cuyas colisiones alcanzan 13 000 GeV en el centro de masas ). Pero la razón es muy sencilla, se supone que dicha región de masas fue muy estudiada en el pasado y que no oculta nada nuevo, luego gastar recursos en este tipo de estudios se considera malgastarlos. Recurriendo a un ejemplo de Weinberg, ¿financiarías con tus impuestos la búsqueda en el siglo XXI de El Dorado, el legendario reino plagado de minas de oro? La ciudad cuya leyenda nació en el siglo XVI ha sido buscada con tanto ahínco en el pasado que dedicar nuevos recursos a continuar la búsqueda parece irrazonable (incluso teniendo en cuenta que las técnicas de búsqueda actuales son mucho más avanzadas que las usadas en siglos pasados). Todo el mundo sabe que dicha búsqueda será infructuosa.

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Sin embargo, el experimento ATOMKI afirmó haber encontrado su propio El Dorado. Por un método indirecto y sujeto a muchas dudas entre los expertos. Por ello se están dedicando algunos recursos a su búsqueda gracias a experimentos que se diseñaron para buscar otras partículas en el mismo rango de masas. A pesar de que nadie espera encontrar nada, el gran eco mediático logrado por la quinta fuerza de ATOMKI ha hecho que merezca la pena. El experimento NA64 (P348) del CERN estudia la desintegración de partículas de baja masa y vida corta con masas por debajo de un GeV. El haz de SPS, que se usa para inyectar protones a 400 GeV en el LHC, se redirige hacia un blanco en el Área Norte (NA, siglas de North Area) donde produce un haz de electrones de 100 GeV. Cada pulso con un billón de protones de SPS produce unos cinco millones de electrones.

La nueva partícula, que se desintegra vía X → e+ e, produciría un exceso en la desintegración e + Z → e + Z + X, que se observaría en los calorímetros electromagnéticos WCAL y ECAL de NA64. Este experimento se concibió para buscar fotones oscuros, A’, y bosones Z prima, Z’, cuya masa sea inferior a 100 MeV/c², luego parece natural usarlo para buscar el bosón X de ATOMKI. Por ahora no ha observado nada, pero su búsqueda continúa. Estos experimentos pequeños en el CERN no cejan en su empeño, a pesar de que haya pocas esperanzas de que encuentren algo nuevo.

1 comentario

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Paco Paco

“Creo que habrá noticias de DarkLight en menos de un año. ”

Pero no nos dejes así, ¿crees que las noticias son a favor o en contra de su existencia?
Supongo que en contra.

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