Under sina sista verksamhetsår, en partikelkolliderare i norra Kalifornien omfokuserades för att söka efter tecken på nya partiklar som kan hjälpa till att fylla i några stora tomrum i vår förståelse av universum.

En ny analys av dessa data, leds av fysiker vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), begränsar några av gömställena för en typ av teoretiserad partikel - den mörka fotonen, även känd som den tunga fotonen - som föreslogs för att förklara mysteriet med mörk materia.

Det senaste resultatet, publiceras i tidskriften Fysiska granskningsbrev av det cirka 240 medlemmarna BaBar Collaboration, lägger till resultat från en samling tidigare experiment som söker, men ännu inte hittat, de teoretiserade mörka fotonerna.

"Även om det inte utesluter förekomsten av mörka fotoner, BaBar-resultaten begränsar var de kan gömma sig, och definitivt utesluta deras förklaring till ett annat spännande mysterium associerat med egenskapen hos den subatomära partikeln som kallas myon, sa Michael Roney, BaBar talesman och University of Victoria professor.

Mörk materia, som står för uppskattningsvis 85 procent av universums totala massa, har endast observerats genom dess gravitationsinteraktioner med normal materia. Till exempel, rotationshastigheten för galaxer är mycket snabbare än förväntat baserat på deras synliga materia, antyder att det finns "saknad" massa som hittills har förblivit osynlig för oss.

Så fysiker har arbetat med teorier och experiment för att hjälpa till att förklara vad mörk materia är gjord av - om den är sammansatt av oupptäckta partiklar, till exempel, och om det kan finnas en dold eller "mörk" kraft som styr växelverkan mellan sådana partiklar sinsemellan och med synlig materia. Den mörka fotonen, om det finns, har framställts som en möjlig bärare av denna mörka kraft.

Med hjälp av data som samlats in från 2006 till 2008 vid SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, Kalifornien, analysteamet skannade de registrerade biprodukterna från partikelkollisioner efter tecken på en enda partikel av ljus - en foton - utan associerade partikelprocesser.

BaBar-experimentet, som pågick från 1999 till 2008 på SLAC, samlade in data från kollisioner av elektroner med positroner, deras positivt laddade antipartiklar. Kollideren som kör BaBar, kallas PEP-II, byggdes genom ett samarbete som inkluderade SLAC, Berkeley Lab, och Lawrence Livermore National Laboratory. På sin topp, BaBar-samarbetet involverade över 630 fysiker från 13 länder.

BaBar designades ursprungligen för att studera skillnaderna i beteendet mellan materia och antimateria som involverar en b-kvark. Samtidigt med ett konkurrerande experiment i Japan som heter Belle, BaBar bekräftade teoretikers förutsägelser och banade väg för 2008 års Nobelpris. Berkeley Lab-fysikern Pier Oddone föreslog idén för BaBar och Belle 1987 medan han var chef för laboratoriets fysikavdelning.

Den senaste analysen använde cirka 10 procent av BaBars data – registrerad under de två sista åren av verksamheten. Dess datainsamling fokuserades om på att hitta partiklar som inte tas med i fysikens standardmodell - en sorts regelbok för vilka partiklar och krafter som utgör det kända universum.

"BaBar genomförde en omfattande kampanj för att söka efter partiklar i mörk sektor, och detta resultat kommer att ytterligare begränsa deras existens, sade Bertrand Echenard, en forskningsprofessor vid Caltech som var avgörande i detta arbete.

Yury Kolomensky, en fysiker vid Nuclear Science Division vid Berkeley Lab och en fakultetsmedlem vid Institutionen för fysik vid UC Berkeley, sa, "Signaturen (av en mörk foton) i detektorn skulle vara extremt enkel:en högenergifoton, utan någon annan aktivitet."

Ett antal av teorierna om mörka foton förutspår att de tillhörande partiklarna av mörk materia skulle vara osynliga för detektorn. Den enda fotonen, utstrålas från en strålpartikel, signalerar att en elektron-positronkollision har inträffat och att den osynliga mörka fotonen sönderfallit till partiklarna av mörk materia, avslöjar sig själv i frånvaro av någon annan medföljande energi.

När fysiker hade föreslagit mörka fotoner 2009, det väckte nytt intresse för fysiksamhället, och föranledde en ny titt på BaBars data. Kolomensky övervakade dataanalysen, utförs av UC Berkeley-studenterna Mark Derdzinski och Alexander Giuffrida.

"Mörka fotoner kan överbrygga denna dolda klyfta mellan mörk materia och vår värld, så det skulle vara spännande om vi hade sett det, " sa Kolomensky.

Den mörka fotonen har också postulerats förklara en diskrepans mellan observationen av en egenskap hos myonspinnet och det värde som förutspåtts för det i standardmodellen. Att mäta denna egenskap med oöverträffad precision är målet för Muon g-2 (uttalas gee-minus-två) Experiment vid Fermi National Accelerator Laboratory.

Tidigare mätningar vid Brookhaven National Laboratory hade funnit att denna egenskap hos myoner - som en snurra med en vingling som ständigt är något utanför normen - är mindre än 0,0002 procent från vad som förväntas. Mörka fotoner föreslogs som en möjlig partikelkandidat för att förklara detta mysterium, och en ny omgång av experiment som påbörjades tidigare i år borde hjälpa till att avgöra om anomalien faktiskt är en upptäckt.

Det senaste BaBar-resultatet, Kolomensky sa, i stort sett "utesluter dessa mörka fotonteorier som en förklaring till g-2-anomalin, effektivt stänga det här fönstret, men det betyder också att det är något annat som driver g-2-avvikelsen om det är en verklig effekt."

Det är ett vanligt och konstant samspel mellan teori och experiment, med teori som anpassar sig till nya begränsningar från experiment, och experiment som söker inspiration från nya och anpassade teorier för att hitta nästa bevisgrund för att testa dessa teorier.

Forskare har aktivt utvunnit BaBars data, Roney sa, att dra nytta av de välförstådda experimentella förutsättningarna och detektorn för att testa nya teoretiska idéer.

"Att hitta en förklaring till mörk materia är en av de viktigaste utmaningarna inom fysiken idag, och att leta efter mörka fotoner var ett naturligt sätt för BaBar att bidra, " sa Roney, och tillägger att många experiment i drift eller planerade runt om i världen försöker lösa detta problem.

En uppgradering av ett experiment i Japan som liknar BaBar, kallad Belle II, slår på nästa år. "Så småningom, Belle II kommer att producera 100 gånger mer statistik jämfört med BaBar, ", sa Kolomensky. "Experiment som detta kan undersöka nya teorier och fler tillstånd, öppnar effektivt nya möjligheter för ytterligare tester och mätningar."

"Tills Belle II har samlat på sig betydande mängder data, BaBar kommer att fortsätta under de kommande åren för att ge nya effektfulla resultat som detta, " sa Roney.