Los fotones oscuros podrían explicar los datos de dispersión de alta energía – Physics World

Un nuevo análisis realizado por un equipo internacional de físicos sugiere que los fotones oscuros (partículas hipotéticas que transportan fuerzas asociadas con la materia oscura) podrían explicar ciertos datos de experimentos de dispersión de alta energía. El análisis, que fue dirigido por Nicholas Hunt-Smith y colegas en el Universidad de Adelaide, Australia, podría conducir a nuevos conocimientos sobre la naturaleza de la materia oscura, que sigue siendo un misterio a pesar de que los modelos estándar de cosmología sugieren que constituye alrededor del 85% de la masa del universo.

La materia oscura recibe su nombre porque no absorbe, refleja ni emite radiación electromagnética. Esto hace que sea extremadamente difícil de detectar en el laboratorio y hasta ahora todos los intentos de hacerlo han resultado con las manos vacías. "Nunca se ha visto ninguna partícula más allá del modelo estándar, que describe toda la materia que conocemos", dice Anthony Thomas, físico de Adelaide y coautor del análisis, que se publica en la revista Revista de Física de Alta Energía. "No tenemos idea de qué es la materia oscura, aunque parece probable que sea una partícula (o partículas) más allá del modelo estándar".

La hipótesis del fotón oscuro

Aunque la materia oscura no se comprende bien, es la principal explicación de por qué las galaxias giran más rápido de lo que deberían, dada la cantidad de materia visible que contienen. Pero aunque podemos observar la materia oscura interactuando con el universo, el mecanismo de estas interacciones no está claro. De acuerdo a Carlos Wagner, físico de partículas de la División de Física de Altas Energías (HEP) del Laboratorio Nacional Argonne y profesor de la Universidad de Chicago y del Instituto Enrique Fermi, los fotones oscuros son una posibilidad.

“La historia es más o menos así: podría haber una Sector oscuro", donde reside la materia oscura, y que se acopla débilmente al sector ordinario, en este caso, mediante la mezcla de un bosón de calibre, el fotón oscuro, con los bosones de calibre neutros ordinarios", dice Wagner, refiriéndose a los fotones W y Z. bosones que transportan las fuerzas electromagnéticas y débiles. "Un bosón de calibre de este tipo puede acoplarse de manera relevante a la materia oscura y, en general, a un hipotético sector oscuro".

Un resultado “provocador”

En el último estudio, el equipo dirigido por Adelaide, que también incluía investigadores del Laboratorio Jefferson en Virginia, EE. UU., realizó un análisis de cromodinámica cuántica global (QCD) de datos de dispersión de alta energía dentro del marco del Momento Angular (JAM) del Laboratorio Jefferson. Los investigadores demostraron que cuando intentan explicar los resultados de los experimentos de dispersión inelástica profunda (DIS), se prefiere un modelo que incorpora un fotón oscuro a la hipótesis competidora del modelo estándar con una significación de 6.5σ.

"[DIS] es el proceso en el que una sonda como un electrón, un muón o un neutrino se dispersa desde un protón con una transferencia de energía y momento tan alta (por lo tanto, profunda) que rompe el protón en pedazos (por lo tanto, inelástico)", explica Thomas. "Si sumas todas las piezas, puedes determinar la distribución del impulso de los quarks dentro del protón original".

Thomas añade que los resultados de este experimento se describen en términos de funciones de distribución de partones (PDF), que dan la probabilidad de encontrar un tipo específico de quark con una fracción determinada del impulso del protón. "Todos los laboratorios de alta energía del mundo han contribuido a tomar los más de 3,000 puntos de datos que tenemos actualmente y que se analizaron en este trabajo", afirma. "El grupo JAM de Jefferson Lab tiene una larga trayectoria en la extracción de archivos PDF a partir de dichos datos".

Tim Hobbs, un físico teórico de Argonne que no participó en este trabajo pero que anteriormente fue coautor de artículos con varios miembros del equipo, califica el estudio de "provocativo". Señala que el trabajo implicó ajustar simultáneamente datos de dispersión de protones y neutrones con un escenario más allá del Modelo Estándar (BSM), como la hipótesis del fotón oscuro junto con los PDF. Este enfoque, afirma, “ha ido ganando interés en los últimos años”.

De hecho, Hobbs y sus colaboradores produjeron lo que él llama “un estudio de espíritu similar” en mayo de 2023 que se centró en datos de jet y top-quark. "La preocupación básica [es] que las firmas de la física del BSM puedan 'ajustarse' de forma espuria en los análisis PDF tradicionales que no parametrizan cuidadosamente el BSM de forma independiente", explica. Esta preocupación, añade, es “lo suficientemente importante como para que se requieran más ajustes globales de este tipo. Espero muchísimo que se realicen muchos estudios de seguimiento en el futuro”.

Oportunidades para futuras investigaciones.

Si bien está entusiasmado con el trabajo, Hobbs señala una cuestión práctica que es crucial para su interpretación: la cuantificación de la incertidumbre. "Ésta es una de las fronteras del desarrollo en este campo", afirma. “¿Cómo se llega exactamente a una incertidumbre consistente y reproducible en un análisis teórico con un modelo multiparamétrico complicado?”

Hobbs añade que el nuevo análisis utilizó lo que él llama “una definición de incertidumbre más agresiva” de lo habitual. "Esto puede desempeñar un papel a la hora de realzar la importancia aparente de la firma de fotones oscuros extraída de los datos DIS, así como el grado de correlación con los archivos PDF", afirma. Estas y otras preguntas, concluye, requieren más investigación y está "emocionado de que Hunt-Smith et al. han proporcionado una mayor motivación en esta dirección”.

A Wagner, que tampoco participó en el estudio, le sorprende que el equipo haya restringido su análisis a DIS, ya que la existencia de fotones oscuros también afectaría a los resultados de experimentos de electrones y positrones como BABAR y LEP. "Los valores de [el parámetro de mezcla] épsilon citados no son muy pequeños y ese efecto debería ser visible", dice, señalando que un análisis previo de datos de BABAR no encontraron tales efectos relacionados con los fotones oscuros. Sugiere que los estudios futuros podrían aprender más cambiando el modelo para asumir una asimetría entre los acoplamientos de partículas, lo que significaría que no todos esos acoplamientos se rigen por el mismo parámetro de mezcla.

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Thomas está de acuerdo en que es necesario más trabajo. "Dado que nuestro resultado proporciona una evidencia extremadamente fuerte pero indirecta de la existencia de esta partícula, sería fantástico poder confirmarla mediante otros análisis", afirma. Una posible dirección futura, añade, sería estudiar los resultados utilizando versiones más sofisticadas de QCD, aunque añade que “la evidencia en experimentos directos u otras reacciones sería ideal. Tenemos una pista muy fuerte y nos encantaría ver una confirmación independiente”.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/dark-photons-could-explain-high-energy-scattering-data/