El fotón oscuro (también oculta , pesado , para- , o fotón aislado ) es un hipotético sector oculto de partículas , propuesto como un portador de fuerza similar a la del fotón de electromagnetismo pero potencialmente conectado a la materia oscura . [1] En un escenario mínimo, esta nueva fuerza puede introducirse ampliando el grupo de calibres del Modelo Estándar de Física de Partículas con una nueva simetría de calibre abeliana U (1) . El nuevo bosón de calibre spin-1 correspondiente ( es decir , el fotón oscuro) puede entonces acoplarse muy débilmente a partículas cargadas eléctricamente a través de la mezcla cinética con el fotón ordinario [2] y, por lo tanto, podría detectarse. El fotón oscuro también puede interactuar con el modelo estándar si algunos de los fermiones están cargados bajo el nuevo grupo abeliano. [3] Los posibles arreglos de cobro están restringidos por una serie de requisitos de coherencia, como la cancelación de anomalías y las restricciones que provienen de las matrices Yukawa .
Motivación
Las observaciones de los efectos gravitacionales, que no pueden explicarse únicamente por la materia visible , implican la existencia de una materia que no se acopla o se acopla muy débilmente a las fuerzas conocidas de la naturaleza. Esta materia oscura domina la densidad de materia del Universo, pero sus partículas (si las hay) han eludido la detección directa e indirecta hasta ahora. Dada la rica estructura de interacción de las bien conocidas partículas del Modelo Estándar, que constituyen solo el componente subdominante del Universo, es natural pensar en un comportamiento interactivo similar de las partículas del sector oscuro. Los fotones oscuros podrían ser parte de estas interacciones entre las partículas de materia oscura y proporcionar una ventana no gravitacional (un llamado portal vectorial) hacia su existencia mediante la mezcla cinemática con el fotón del Modelo Estándar. [1] [4] Una motivación adicional para la búsqueda de fotones oscuros proviene de varias anomalías observadas en astrofísica (por ejemplo, en rayos cósmicos ) que podrían estar relacionadas con la interacción de la materia oscura con un fotón oscuro. [5] [6] Podría decirse que la aplicación más interesante de los fotones oscuros surge en la explicación de la discrepancia entre el momento magnético anómalo medido y calculado del muón . [7] [8] [9] Esta discrepancia se suele considerar como un indicio persistente de la física más allá del Modelo Estándar y debe tenerse en cuenta en los nuevos modelos generales de física . Además del efecto sobre el electromagnetismo a través de la mezcla cinética y las posibles interacciones con las partículas de materia oscura, los fotones oscuros (si son masivos) también pueden desempeñar el papel de candidatos a materia oscura. Esto es teóricamente posible a través del mecanismo de desalineación . [10]
Teoría
La adición de un sector que contiene fotones oscuros al lagrangiano del modelo estándar se puede hacer de una manera sencilla y mínima mediante la introducción de un nuevo campo de calibre U (1) . [2] Los detalles de la interacción entre este nuevo campo, el contenido potencial de nuevas partículas ( por ejemplo , un fermión de Dirac para la materia oscura) y las partículas del Modelo Estándar están virtualmente limitados solo por la creatividad del teórico y las restricciones que ya se han puesto en ciertos tipos de acoplamientos. El modelo básico posiblemente más popular implica una nueva simetría de calibre U (1) rota y una mezcla cinética entre el correspondiente campo de fotones oscurosy los campos de hipercarga del modelo estándar . El operador en juego es, dónde es el tensor de intensidad de campo del campo de fotones oscuros ydenota el tensor de intensidad de campo de los campos de hipercarga débiles del modelo estándar. Este término surge naturalmente al escribir todos los términos permitidos por la simetría de calibre. Después de romper la simetría electrodébil y diagonalizar los términos que contienen los tensores de intensidad de campo (términos cinéticos) redefiniendo los campos, los términos relevantes en el lagrangiano son
dónde es la masa del fotón oscuro (en este caso se puede pensar que es generado por el mecanismo de Higgs o Stueckelberg ), es el parámetro que describe la fuerza de mezcla cinética y denota la corriente electromagnética con su acoplamiento. Los parámetros fundamentales de este modelo son, por tanto, la masa del fotón oscuro y la fuerza de la mezcla cinética. Otros modelos dejan intacta la nueva simetría del indicador U (1), lo que da como resultado un fotón oscuro sin masa que lleva una interacción de largo alcance. [11] [12] Un fotón oscuro sin masa, sin embargo, será difícil de distinguir experimentalmente del fotón del Modelo Estándar. La incorporación de nuevos fermiones de Dirac como partículas de materia oscura en esta teoría no es complicada y se puede lograr simplemente agregando los términos de Dirac al Lagrangiano. [13]
Experimentos
Conversión directa
Un candidato de fotón oscuro masivo con fuerza de mezcla cinética podría convertirse espontáneamente en un fotón de modelo estándar . Una cavidad, con frecuencia de resonancia sintonizada para que coincida con la masa de un candidato a fotón oscuro., se puede utilizar para capturar el fotón resultante.
Una técnica para detectar la presencia de fotones de señal en la cavidad es amplificar el campo de la cavidad con un amplificador cuántico limitado. Este método prevalece en la búsqueda de materia oscura de axiones . Sin embargo, con la amplificación lineal es difícil superar el ruido efectivo impuesto por el límite cuántico estándar y buscar candidatos a fotones oscuros que producirían una población de cavidades media mucho menor que 1 fotón.
Contando el número de fotones en la cavidad, es posible subvertir el límite cuántico. Esta técnica ha sido demostrada por investigadores de la Universidad de Chicago en colaboración con Fermilab . [14] El experimento ha excluido candidatos a fotones oscuros con una masa centrada alrededor de 24,86 μeV yutilizando un qubit superconductor para medir repetidamente el mismo fotón. Esto ha permitido una velocidad de búsqueda de más de 1.000 en comparación con la técnica de amplificación lineal convencional.
Ver también
- Radiación oscura : tipo de radiación postulada que media las interacciones de la materia oscura
- Quinta fuerza - Quinta fuerza fundamental especulativa
- Fotón dual : partícula elemental hipotética que es un dual del fotón bajo la dualidad eléctrico-magnética
- Photino : supercompañero hipotético del fotón
Referencias
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