Les photons sombres pourraient expliquer les données de diffusion à haute énergie – Physics World

Une nouvelle analyse menée par une équipe internationale de physiciens suggère que les photons sombres – des particules hypothétiques transportant des forces associées à la matière noire – pourraient expliquer certaines données issues d'expériences de diffusion à haute énergie. L'analyse, menée par Nicolas Hunt-Smith et collègues du Université d'Adélaïde, en Australie, pourrait conduire à de nouvelles connaissances sur la nature de la matière noire, qui reste un mystère même si les modèles standards de cosmologie suggèrent qu'elle représente environ 85 % de la masse de l'univers.

La matière noire tire son nom du fait qu’elle n’absorbe, ne réfléchit ni n’émet de rayonnement électromagnétique. Cela rend sa détection extrêmement difficile en laboratoire et jusqu’à présent, toutes les tentatives en ce sens ont échoué. "Aucune particule au-delà du modèle standard, qui décrit toute la matière qui nous est familière, n'a jamais été observée", déclare Anthony Thomas, physicien à Adélaïde et co-auteur de l'analyse, publiée dans le Journal de physique des hautes énergies. "Nous n'avons aucune idée de ce qu'est la matière noire, même si elle semble être une particule (ou des particules) au-delà du modèle standard."

L'hypothèse des photons sombres

Bien que la matière noire soit mal comprise, elle constitue néanmoins la principale explication de la vitesse de rotation des galaxies, compte tenu de la quantité de matière visible qu’elles contiennent. Mais même si nous pouvons observer la matière noire interagir avec l’univers, le mécanisme de ces interactions n’est pas clair. Selon Carlos Wagner, physicien des particules Division Physique des Hautes Energies (HEP) du Laboratoire National d'Argonne et professeur au Université de Chicago et les terres parsemées de Institut Enrico Fermi, les photons sombres sont une possibilité.

« L’histoire ressemble à ceci : il pourrait y avoir un autre secteur sombre, où réside la matière noire, et qui se couple faiblement au secteur ordinaire – dans ce cas, via le mélange d’un boson de jauge, le photon noir, avec les bosons de jauge neutres ordinaires », explique Wagner, se référant aux photons W et Z. les bosons qui transportent les forces électromagnétiques et faibles. "Un tel boson de jauge pourrait se coupler de manière pertinente à la matière noire et, en général, à un hypothétique secteur sombre."

Un résultat « provocateur »

Dans la dernière étude, l'équipe dirigée par Adélaïde, qui comprenait également des chercheurs du Jefferson Lab en Virginie, aux États-Unis, a effectué une analyse globale de chromodynamique quantique (QCD) des données de diffusion à haute énergie dans le cadre du Jefferson Lab Angular Momentum (JAM). Les chercheurs ont démontré que lorsqu’ils tentent d’expliquer les résultats des expériences de diffusion inélastique profonde (DIS), un modèle intégrant un photon sombre est préféré à l’hypothèse concurrente du modèle standard avec une signification de 6.5σ.

"[DIS] est le processus par lequel une sonde comme un électron, un muon ou un neutrino se diffuse à partir d'un proton avec un transfert d'énergie et d'impulsion si élevé (donc profond) qu'il brise le proton en morceaux (donc inélastique)", explique Thomas. "Si vous additionnez tous les éléments, vous pouvez déterminer la distribution de l'impulsion des quarks au sein du proton d'origine."

Thomas ajoute que les résultats de cette expérience sont décrits en termes de fonctions de distribution de partons (PDF), qui donnent la probabilité de trouver un type spécifique de quark avec une fraction donnée de l'impulsion du proton. «Tous les laboratoires de haute énergie du monde ont joué un rôle en collectant plus de 3,000 XNUMX points de données dont nous disposons actuellement et qui ont été analysés dans ce travail», dit-il. "Le groupe Jefferson Lab JAM a une longue histoire dans l'extraction de PDF à partir de telles données."

Tim Hobbs, un physicien théoricien d'Argonne qui n'a pas participé à ces travaux mais qui a déjà co-écrit des articles avec plusieurs membres de l'équipe, qualifie l'étude de « provocatrice ». Il note que le travail impliquait d'ajuster simultanément les données de diffusion des protons et des neutrons avec un scénario au-delà du modèle standard (BSM), tel que l'hypothèse des photons sombres aux côtés des PDF. Cette approche, dit-il, « suscite un intérêt croissant ces dernières années ».

En effet, Hobbs et ses collaborateurs ont produit en mai 2023 ce qu’il appelle « une étude dans un esprit similaire » axée sur données sur les jets et les quarks top. « La préoccupation fondamentale [est] que les signatures de la physique du BSM puissent être faussement « intégrées » dans les analyses PDF traditionnelles qui ne paramétrent pas soigneusement le BSM de manière indépendante », explique-t-il. Cette préoccupation, ajoute-t-il, est « suffisamment importante pour que des ajustements plus globaux de ce type soient nécessaires. J’attends vraiment de nombreuses études de suivi à l’avenir.

Possibilités de recherches plus approfondies

Bien qu’enthousiasmé par ces travaux, Hobbs souligne une question pratique cruciale pour son interprétation : la quantification de l’incertitude. «C'est l'une des frontières du développement dans ce domaine», dit-il. « Comment parvient-on exactement à une incertitude cohérente et reproductible dans une analyse théorique avec un modèle multiparamétrique complexe ? »

Hobbs ajoute que la nouvelle analyse utilise ce qu’il appelle « une définition plus agressive » de l’incertitude que d’habitude. "Cela pourrait jouer un rôle en augmentant l'importance apparente de la signature des photons sombres extraite des données DIS, ainsi que le degré de corrélation avec les PDF", dit-il. Ces questions et d'autres, conclut-il, nécessitent une enquête plus approfondie, et il est « ravi que Hunt-Smith et al. ont fourni une motivation supplémentaire dans cette direction ».

Wagner, qui n'a pas non plus participé à l'étude, s'étonne que l'équipe ait limité son analyse au DIS, puisque l'existence de photons sombres affecterait également les résultats d'expériences électron-positon telles que BABAR et LEP. « Les valeurs du [paramètre de mélange] epsilon citées ne sont pas très petites et un tel effet devrait être visible », dit-il, notant qu'un analyse précédente des données BABAR n'avons trouvé aucun effet lié aux photons sombres. Selon lui, les études futures pourraient en apprendre davantage en modifiant le modèle pour supposer une asymétrie entre les couplages de particules, ce qui signifierait que tous ces couplages ne sont pas régis par le même paramètre de mélange.

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Thomas convient que davantage de travail est nécessaire. "Comme notre résultat donne une preuve extrêmement forte mais indirecte de l'existence de cette particule, ce serait merveilleux de le voir confirmé par d'autres analyses", dit-il. Une orientation future possible, ajoute-t-il, serait d’étudier les résultats en utilisant des versions plus sophistiquées de la CDQ, bien qu’il ajoute que « des preuves issues d’expériences directes ou d’autres réactions seraient idéales. Nous avons une indication très forte et aimerions voir une confirmation indépendante.

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