I fotoni oscuri potrebbero spiegare i dati di diffusione ad alta energia – Physics World

Una nuova analisi condotta da un team internazionale di fisici suggerisce che i fotoni oscuri – ipotetiche particelle che trasportano forze associate alla materia oscura – potrebbero spiegare alcuni dati provenienti da esperimenti di diffusione ad alta energia. L'analisi, condotta da Nicholas Hunt-Smith e colleghi di Università di Adelaide, in Australia, potrebbe portare a nuove conoscenze sulla natura della materia oscura, che rimane un mistero anche se i modelli cosmologici standard suggeriscono che costituisca circa l’85% della massa dell’universo.

La materia oscura prende il nome perché non assorbe, riflette o emette radiazioni elettromagnetiche. Ciò rende estremamente difficile il rilevamento in laboratorio e finora tutti i tentativi in ​​tal senso sono rimasti a mani vuote. "Non è mai stata vista alcuna particella oltre il Modello Standard, che descrive tutta la materia con cui abbiamo familiarità", afferma Anthony Thomas, fisico di Adelaide e coautore dell'analisi, pubblicata nel Giornale di fisica delle alte energie. “Non abbiamo idea di cosa sia la materia oscura, anche se sembra probabile che sia [una] particella (o particelle) oltre il modello standard”.

L'ipotesi del fotone oscuro

Anche se la materia oscura è poco conosciuta, è comunque la principale spiegazione del perché le galassie ruotano più velocemente di quanto dovrebbero, data la quantità di materia visibile che contengono. Ma sebbene possiamo osservare la materia oscura interagire con l’universo, il meccanismo di queste interazioni non è chiaro. Secondo Carlo Wagner, un fisico delle particelle nel Divisione di fisica delle alte energie (HEP) dell'Argonne National Laboratory e un professore al University of Chicago e la Istituto Enrico Fermi, i fotoni oscuri sono una possibilità.

“La storia è più o meno questa: potrebbe esserci un ulteriore settore oscuro, dove risiede la materia oscura, e che si accoppia debolmente al settore ordinario – in questo caso, attraverso la miscelazione di un bosone di Gauge, il fotone oscuro, con i bosoni di Gauge neutri ordinari”, dice Wagner, riferendosi ai fotoni W e Z. bosoni che trasportano le forze elettromagnetiche e deboli. “Un bosone di gap di questo tipo potrebbe accoppiarsi in modo rilevante alla materia oscura e, in generale, ad un ipotetico settore oscuro”.

Un risultato “provocatorio”.

Nell’ultimo studio, il team guidato da Adelaide, che comprendeva anche ricercatori del Jefferson Lab in Virginia, negli Stati Uniti, ha eseguito un’analisi globale di cromodinamica quantistica (QCD) dei dati di dispersione ad alta energia all’interno del quadro Jefferson Lab Angular Momentum (JAM). I ricercatori hanno dimostrato che quando cercano di spiegare i risultati degli esperimenti di diffusione anelastica profonda (DIS), un modello che incorpora un fotone oscuro è preferito rispetto all’ipotesi concorrente del Modello standard con una significatività di 6.5σ.

"[DIS] è il processo in cui una sonda come un elettrone, un muone o un neutrino si disperde da un protone con un trasferimento di energia e quantità di moto così elevato (quindi profondo) da frantumare il protone in pezzi (quindi anelastico)", spiega Thomas. "Se sommi tutti i pezzi, puoi determinare la distribuzione della quantità di moto dei quark all'interno del protone originale."

Thomas aggiunge che i risultati di questo esperimento sono descritti in termini di funzioni di distribuzione partonica (PDF), che danno la probabilità di trovare un tipo specifico di quark con una data frazione della quantità di moto del protone. "Tutti i laboratori di alta energia nel mondo hanno avuto un ruolo nel prendere gli oltre 3,000 dati di cui disponiamo attualmente e che sono stati analizzati in questo lavoro", afferma. "Il gruppo JAM del Jefferson Lab ha una lunga storia nell'estrazione di PDF da tali dati."

Tim Hobbs, un fisico teorico dell'Argonne che non è stato coinvolto in questo lavoro ma ha precedentemente scritto articoli con diversi membri del team, definisce lo studio "provocatorio". Egli osserva che il lavoro ha comportato l'adattamento simultaneo dei dati di diffusione di protoni e neutroni con uno scenario oltre il Modello Standard (BSM), come l'ipotesi del fotone oscuro insieme ai PDF. Questo approccio, dice, “ha suscitato crescente interesse negli ultimi anni”.

In effetti, nel maggio 2023 Hobbs e i suoi collaboratori hanno prodotto quello che definisce “uno studio dallo spirito simile” incentrato su dati su jet e quark top. "La preoccupazione di base [è] che le firme della fisica del BSM possano essere spuriamente 'inserite' nelle tradizionali analisi PDF che non parametrizzano attentamente il BSM in modo indipendente", spiega. Questa preoccupazione, aggiunge, è “abbastanza significativa da rendere necessari ulteriori adattamenti globali di questo tipo. Mi aspetto moltissimi studi di follow-up in futuro”.

Opportunità per ulteriori ricerche

Pur essendo entusiasta del lavoro, Hobbs sottolinea una questione pratica cruciale per la sua interpretazione: la quantificazione dell’incertezza. “Questa è una delle frontiere dello sviluppo in questo campo”, afferma. “Come si arriva esattamente a un’incertezza coerente e riproducibile in un’analisi teorica con un modello complicato e multiparametrico?”

Hobbs aggiunge che la nuova analisi ha utilizzato quella che lui definisce “una definizione di incertezza più aggressiva” di quella tipica. "Ciò potrebbe svolgere un ruolo nell'aumentare l'apparente significato della firma dei fotoni oscuri estratta dai dati DIS, nonché il grado di correlazione con i PDF", afferma. Queste e altre domande, conclude, richiedono ulteriori indagini, ed è “entusiasta che Hunt-Smith et al. hanno fornito ulteriori motivazioni in questa direzione”.

Wagner, anch'egli non coinvolto nello studio, è sorpreso che il team abbia limitato la sua analisi al DIS, poiché l'esistenza di fotoni oscuri influenzerebbe anche i risultati degli esperimenti elettrone-positrone come BABAR e LEP. "I valori citati del [parametro di miscelazione] epsilon non sono molto piccoli e un tale effetto dovrebbe essere visibile", dice, sottolineando che un precedente analisi dei dati BABAR non hanno trovato effetti simili legati ai fotoni oscuri. Gli studi futuri, suggerisce, potrebbero imparare di più modificando il modello per assumere un’asimmetria tra gli accoppiamenti delle particelle, il che significherebbe che non tutti questi accoppiamenti sono governati dallo stesso parametro di miscelazione.

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Thomas concorda sul fatto che è necessario ulteriore lavoro. "Poiché il nostro risultato fornisce una prova estremamente forte ma indiretta dell'esistenza di questa particella, sarebbe meraviglioso averla confermata in altre analisi", afferma. Una possibile direzione futura, aggiunge, sarebbe quella di studiare i risultati utilizzando versioni più sofisticate della QCD, anche se aggiunge che “la prova in esperimenti diretti o altre reazioni sarebbe l’ideale. Abbiamo un indizio molto forte e ci piacerebbe vedere una conferma indipendente”.

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