Fotone oscuro - Dark photon

Il fotone scuro (anche nascosti , pesante , para- , o fotone appartato ) è un ipotetico settore nascosta particella , proposto come portatrice di forza simile alla fotone di elettromagnetismo ma potenzialmente collegato alla materia oscura . In uno scenario minimo, questa nuova forza può essere introdotta estendendo il gruppo di gauge del modello standard di fisica delle particelle con una nuova simmetria di gauge U (1) abeliana . Il corrispondente nuovo bosone di gauge di spin-1 ( cioè il fotone scuro) può quindi accoppiarsi molto debolmente a particelle cariche elettricamente attraverso la miscelazione cinetica con il fotone ordinario e potrebbe quindi essere rilevato. Il fotone oscuro può anche interagire con il modello standard se alcuni dei fermioni vengono caricati sotto il nuovo gruppo abeliano. Le possibili modalità di addebito sono limitate da una serie di requisiti di coerenza come la cancellazione di anomalie e vincoli provenienti dalle matrici Yukawa .

Motivazione

Le osservazioni degli effetti gravitazionali, che non possono essere spiegati dalla sola materia visibile , implicano l'esistenza di una materia che non si accoppia o si accoppia solo molto debolmente alle forze conosciute della Natura. Questa materia oscura domina la densità della materia dell'Universo, ma le sue particelle (se ce ne sono) finora sono sfuggite alla rilevazione diretta e indiretta. Data la ricca struttura di interazione delle ben note particelle del Modello Standard, che costituiscono solo la componente sottodominante dell'Universo, è naturale pensare a un comportamento altrettanto interattivo delle particelle del settore oscuro. I fotoni oscuri potrebbero far parte di queste interazioni tra particelle di materia oscura e fornire una finestra non gravitazionale (un cosiddetto portale vettoriale) nella loro esistenza mescolandosi cinematicamente con il fotone del modello standard. Ulteriore motivazione per la ricerca di fotoni oscuri proviene da diverse anomalie osservate in astrofisica (ad esempio nei raggi cosmici ) che potrebbero essere correlate alla materia oscura che interagisce con un fotone oscuro. Probabilmente l'applicazione più interessante dei fotoni oscuri risiede nella spiegazione della discrepanza tra il momento magnetico anomalo misurato e calcolato del muone . Questa discrepanza viene solitamente considerata come un indizio persistente per la fisica oltre il Modello Standard e dovrebbe essere spiegata da nuovi modelli fisici generali . Oltre all'effetto sull'elettromagnetismo tramite la miscelazione cinetica e le possibili interazioni con particelle di materia oscura, i fotoni oscuri (se massicci) possono anche svolgere il ruolo di candidati alla materia oscura. Questo è teoricamente possibile attraverso il meccanismo di disallineamento .

Teoria

L'aggiunta di un settore contenente fotoni scuri alla lagrangiana del modello standard può essere eseguita in modo semplice e minimale introducendo un nuovo campo di gauge U (1) . Le specifiche dell'interazione tra questo nuovo campo, il potenziale contenuto di nuove particelle ( ad esempio , un fermione di Dirac per la materia oscura) e le particelle del Modello Standard sono virtualmente limitate solo dalla creatività del teorico e dai vincoli che sono già stati imposti a certi tipi di accoppiamenti. Il modello di base probabilmente più popolare coinvolge una nuova simmetria di gauge U (1) interrotta e la miscelazione cinetica tra il campo di fotone scuro corrispondente ei campi di ipercarica del modello standard . L'operatore in gioco è , dove è il tensore dell'intensità di campo del campo dei fotoni oscuri e denota il tensore dell'intensità di campo dei campi di ipercarica debole del modello standard. Questo termine nasce naturalmente annotando tutti i termini consentiti dalla simmetria di gauge. Dopo la rottura della simmetria elettrodebole e la diagonalizzazione dei termini contenenti i tensori di intensità di campo (termini cinetici) ridefinendo i campi, i termini rilevanti nella lagrangiana sono ${\ displaystyle A ^ {\ prime}}$ ${\ displaystyle F _ {\ mu \ nu} ^ {\ prime} B ^ {\ mu \ nu}}$ ${\ displaystyle F _ {\ mu \ nu} ^ {\ prime}}$ ${\ displaystyle B ^ {\ mu \ nu}}$

{\ 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}}

dov'è la massa del fotone oscuro (in questo caso si può pensare che sia generata dal meccanismo di Higgs o Stueckelberg ), è il parametro che descrive la forza cinetica di miscelazione e denota la corrente elettromagnetica con il suo accoppiamento . I parametri fondamentali di questo modello sono quindi la massa del fotone scuro e la forza del mescolamento cinetico. Altri modelli lasciano intatta la nuova simmetria del calibro U (1), risultando in un fotone scuro privo di massa che trasporta un'interazione a lungo raggio. Un fotone scuro privo di massa, tuttavia, sperimentalmente sarà difficile da distinguere dal fotone del modello standard. L'incorporazione di nuovi fermioni di Dirac come particelle di materia oscura in questa teoria non è complicata e può essere ottenuta semplicemente aggiungendo i termini di Dirac alla lagrangiana. ${\ displaystyle m_ {A ^ {\ prime}}}$ ${\ displaystyle \ epsilon}$ ${\ displaystyle J _ {\ mu} ^ {EM}}$ ${\ displaystyle e}$

Esperimenti

Conversione diretta

Un enorme candidato di fotone scuro con forza di miscelazione cinetica potrebbe convertirsi spontaneamente in un fotone di modello standard . Una cavità, con frequenza di risonanza sintonizzata per abbinare la massa di un candidato fotone scuro , può essere utilizzata per catturare il fotone risultante. ${\ displaystyle \ epsilon}$ ${\ displaystyle hf = m_ {A ^ {\ prime}} c ^ {2}}$

Una tecnica per rilevare la presenza del fotone del segnale nella cavità consiste nell'amplificare il campo della cavità con un amplificatore quantistico limitato. Questo metodo è prevalente nella ricerca della materia oscura assione . Con l'amplificazione lineare, tuttavia, è difficile superare il rumore effettivo imposto dal limite quantistico standard e cercare candidati di fotoni scuri che producano una popolazione di cavità media molto inferiore a 1 fotone.

Contando il numero di fotoni nella cavità, è possibile sovvertire il limite quantistico. Questa tecnica è stata dimostrata dai ricercatori dell'Università di Chicago in collaborazione con Fermilab . L'esperimento ha escluso candidati di fotoni scuri con massa centrata intorno a 24,86 μeV e utilizzando un qubit superconduttore per misurare ripetutamente lo stesso fotone. Ciò ha consentito una velocità di ricerca di oltre 1.000 rispetto alla tecnica di amplificazione lineare convenzionale. ${\ displaystyle \ epsilon \ geq 1.68 \ times 10 ^ {- 15}}$

Guarda anche

Radiazione oscura - Un tipo di radiazione ipotizzato che media le interazioni della materia oscura
Quinta forza - Quinta forza fondamentale speculativa
Doppio fotone - Un'ipotetica particella elementare che è una doppia del fotone sotto dualità elettromagnetica
Photino - Ipotetico superpartner del fotone

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