Ciemny foton

Ciemny foton (również ukryty , ciężki , para- lub odosobniony foton ) jest hipotetyczną cząstką ukrytego sektora , proponowaną jako nośnik siły podobny do fotonu elektromagnetyzmu , ale potencjalnie powiązany z ciemną materią . W minimalnym scenariuszu tę nową siłę można wprowadzić, rozszerzając grupę cechowania Modelu Standardowego Fizyki Cząstek o nową abelową symetrię cechowania U(1) . Odpowiedni nowy bozon o spinie 1 (tj. ciemny foton) może następnie sprzęgać się bardzo słabo z naładowanymi elektrycznie cząstkami poprzez mieszanie kinetyczne ze zwykłym fotonem iw ten sposób może zostać wykryty. Ciemny foton może również oddziaływać z Modelem Standardowym, jeśli niektóre fermiony są naładowane w ramach nowej grupy abelowej. Możliwe ustalenia dotyczące opłat są ograniczone przez szereg wymagań dotyczących spójności, takich jak anulowanie anomalii i ograniczenia pochodzące z macierzy Yukawa .

Motywacja

Obserwacje efektów grawitacyjnych, których nie można wyjaśnić samą widoczną materią , implikują istnienie materii, która nie wiąże się lub łączy się bardzo słabo ze znanymi siłami natury. Ta ciemna materia dominuje w gęstości materii we Wszechświecie, ale jej cząstki (jeśli takie istnieją) jak dotąd wymykały się bezpośredniemu i pośredniemu wykryciu. Biorąc pod uwagę bogatą strukturę interakcji dobrze znanych cząstek Modelu Standardowego, które stanowią jedynie subdominujący składnik wszechświata, naturalne jest myślenie o podobnie interaktywnym zachowaniu cząstek ciemnego sektora. Ciemne fotony mogą być częścią tych interakcji między cząstkami ciemnej materii i zapewniać niegrawitacyjne okno (tak zwany portal wektorowy) do ich istnienia poprzez kinematyczne mieszanie z fotonem Modelu Standardowego. Dalsza motywacja do poszukiwania ciemnych fotonów pochodzi z kilku zaobserwowanych anomalii w astrofizyce (np. w promieniowaniu kosmicznym ), które mogą być związane z interakcją ciemnej materii z ciemnym fotonem. Prawdopodobnie najciekawsze zastosowanie ciemnych fotonów pojawia się w wyjaśnieniu rozbieżności między zmierzonym a obliczonym anomalnym momentem magnetycznym mionu . Ta rozbieżność jest zwykle uważana za utrzymującą się wskazówkę dotyczącą fizyki poza Modelem Standardowym i powinna być uwzględniona w ogólnych nowych modelach fizyki . Oprócz wpływu na elektromagnetyzm poprzez mieszanie kinetyczne i możliwe interakcje z cząstkami ciemnej materii, ciemne fotony (jeśli są masywne) mogą również same odgrywać rolę kandydata na ciemną materię. Jest to teoretycznie możliwe dzięki mechanizmowi niewspółosiowości .

Teoria

Dodanie sektora zawierającego ciemne fotony do Lagrange'a Modelu Standardowego można wykonać w prosty i minimalny sposób, wprowadzając nowe pole cechowania U(1) . Specyfika interakcji między tym nowym polem, potencjalną nową zawartością cząstek (np. fermion Diraca dla ciemnej materii) a cząstkami Modelu Standardowego jest praktycznie ograniczona jedynie kreatywnością teoretyka i ograniczeniami, które zostały już nałożone na pewne rodzaje sprzęgieł. Prawdopodobnie najpopularniejszy model podstawowy obejmuje pojedynczą nową złamaną symetrię cechowania U (1) i mieszanie kinetyczne między odpowiednim polem ciemnego fotonu $Modelu$ hiperładowania Standardowego . Operatorem w grze jest ${\ Displaystyle F _ {\ mu \ nu} ^ {\ pierwsza} B ^ {\ mu \ nu}}$ , gdzie ${\ Displaystyle F _ {\ mu \ nu } ^ {\ pierwsza}}$ jest tensorem natężenia pola ciemnego fotonu, a $oznacza$ natężenia pola słabych pól hiperładowania Modelu Termin ten powstaje naturalnie poprzez spisanie wszystkich terminów dozwolonych przez symetrię cechowania. Po zerwaniu symetrii elektrosłabej i diagonalizowaniu wyrazów zawierających tensory natężenia pola (człony kinetyczne) poprzez przedefiniowanie pól, odpowiednie wyrazy w Lagrange'a to

\ Displaystyle {\ mathcal {L}} \ supset - { \frac {1}{4}}F^{\prime \mu \nu }F_{\mu \nu }^{\prime }+{\frac {1}{2}}m_{A^{\prime} }^{2}A^{\prime \mu }A_{\mu }^{\prime }+\epsilon eA^{\prime \mu }J_{\mu }^{EM}}

gdzie jest masą ciemnego fotonu (w tym przypadku można o nim myśleć jako generowanym przez mechanizm Higgsa lub Stueckelberga ), $m_ {A ^ {\ pierwsza}}$ $}$ ${\ Displaystyle$ $.$ parametrem opisującym kinetyczną siłę mieszania , $a$ oznacza prąd z Podstawowymi parametrami tego modelu są więc masa ciemnego fotonu i siła mieszania kinetycznego. Inne modele pozostawiają nową symetrię cechowania U(1) nienaruszoną, co skutkuje bezmasowym ciemnym fotonem przenoszącym oddziaływanie dalekiego zasięgu. Jednak bezmasowy ciemny foton będzie eksperymentalnie trudny do odróżnienia od fotonu Modelu Standardowego. Włączenie nowych fermionów Diraca jako cząstek ciemnej materii do tej teorii jest nieskomplikowane i można je osiągnąć po prostu dodając wyrazy Diraca do Lagrange'a.

Eksperymenty

Ograniczenia parametru mieszania kinetycznego ciemnego fotonu

Konwersja bezpośrednia

Kandydat na masywny ciemny foton z kinetyczną siłą mieszania $mógłby$ przekształcić się w foton Modelu Standardowego . Wnęka z częstotliwością rezonansową dostrojoną tak, aby pasowała do masy $foton$ do powstały foton.

Jedną z technik wykrywania obecności fotonu sygnałowego we wnęce jest wzmocnienie pola wnęki za pomocą wzmacniacza ograniczonego kwantowo. Ta metoda jest powszechna w poszukiwaniu ciemnej materii aksjonowej . Jednak przy wzmocnieniu liniowym trudno jest przezwyciężyć efektywny szum narzucony przez standardową granicę kwantową i szukać kandydatów na ciemne fotony, które wytworzyłyby średnią populację wnęki znacznie mniejszą niż 1 foton.

Licząc liczbę fotonów we wnęce, możliwe jest obalenie granicy kwantowej. Technika ta została zademonstrowana przez naukowców z University of Chicago we współpracy z firmą Fermilab . Eksperyment wykluczył kandydatów na ciemne fotony o masie skupionej wokół 24,86 μeV i $pomocą$ tego samego . Umożliwiło to przyspieszenie wyszukiwania o ponad 1000 w porównaniu z konwencjonalną techniką wzmocnienia liniowego.

Eksperyment Heavy Photon Search (HPS) w Jefferson Lab zderza elektrony o wielu GeV z wolframową folią docelową. Zakładając, że w zderzeniach mogą powstać również ciemne fotony, które następnie rozpadłyby się na pary pozyton-elektron , eksperyment szuka nadmiaru par, które powstałyby w wyniku rozpadu ciemnego fotonu. Analiza danych QCD z 2023 r ., W tym danych HPS, wykazała sygnaturę ciemnego fotonu o masie od 4,2 do 6,2 GeV, z poziomem ufności wynoszącym 8 odchyleń standardowych .

Zobacz też

Ciemne promieniowanie - postulowany rodzaj promieniowania, który pośredniczy w oddziaływaniach ciemnej materii
Piąta siła - Spekulacyjna piąta siła podstawowa
Podwójny foton - Hipotetyczna cząstka podwójna względem fotonu
Photino – hipotetyczny superpartner fotonu