Mørke fotoner kan forklare høyenergispredningsdata – Physics World

En ny analyse utført av et internasjonalt team av fysikere antyder at mørke fotoner - hypotetiske partikler som bærer krefter assosiert med mørk materie - kan forklare visse data fra høyenergispredningseksperimenter. Analysen, som ble ledet av Nicholas Hunt-Smith og kolleger på University of Adelaide, Australia, kan føre til ny innsikt i naturen til mørk materie, som forblir et mysterium selv om standardmodeller for kosmologi antyder at den utgjør rundt 85 % av universets masse.

Mørk materie har fått navnet sitt fordi den ikke absorberer, reflekterer eller sender ut elektromagnetisk stråling. Dette gjør det ekstremt vanskelig å oppdage i laboratoriet, og så langt har alle forsøk på å gjøre det kommet opp tomhendt. "Ingen partikkel utover standardmodellen, som beskriver all materie vi er kjent med, har noen gang blitt sett," sier Anthony Thomas, en fysiker ved Adelaide og en medforfatter av analysen, som er publisert i Journal of High Energy Physics. "Vi har ingen anelse om hva mørk materie er, selv om det ser ut til å være [a] hinsides standard modellpartikkel (eller partikler)."

Hypotesen om mørke foton

Selv om mørk materie er dårlig forstått, er det likevel den ledende forklaringen på hvorfor galakser roterer raskere enn de burde, gitt mengden synlig materie de inneholder. Men selv om vi kan observere mørk materie som interagerer med universet, er mekanismen for disse interaksjonene uklar. I følge Carlos Wagner, en partikkelfysiker i High Energy Physics (HEP) avdeling ved Argonne National Laboratory og en professor ved University of Chicago og Enrico Fermi-instituttet, mørke fotoner er en mulighet.

"Historien er noe sånt som dette: det kan være en ekstra mørk sektor, der mørk materie befinner seg, og som kobles svakt til den vanlige sektoren – i dette tilfellet, via blanding av et gauge-boson, det mørke fotonet, med de vanlige nøytrale gauge-bosonene,” sier Wagner, med henvisning til fotonene, W og Z. bosoner som bærer de elektromagnetiske og svake kreftene. "Et slikt måleboson kan på en relevant måte kobles til mørk materie og generelt sett til en hypotetisk mørk sektor."

Et «provoserende» resultat

I den siste studien utførte det Adelaide-ledede teamet, som også inkluderte forskere ved Jefferson Lab i Virginia, USA, en global kvantekromodynamikk (QCD) analyse av høyenergispredningsdata innenfor Jefferson Lab Angular Momentum (JAM) rammeverket. Forskerne demonstrerte at når de prøver å forklare resultatene av eksperimenter med dyp uelastisk spredning (DIS), foretrekkes en modell som inneholder et mørkt foton fremfor den konkurrerende standardmodellhypotesen med en signifikans på 6.5σ.

"[DIS] er prosessen der en sonde som et elektron, myon eller nøytrino sprer seg fra et proton med så høy overføring av energi og momentum (derav dypt) at det knuser protonet i stykker (derav uelastisk)," forklarer Thomas. "Hvis du summerer over alle brikkene, kan du bestemme fordelingen av momentumet til kvarkene i det opprinnelige protonet."

Thomas legger til at resultatene av dette eksperimentet er beskrevet i form av partonfordelingsfunksjoner (PDF), som gir sannsynligheten for å finne en bestemt type kvark med en gitt brøkdel av protonets bevegelsesmengde. "Alle høyenergilaboratorier i verden har spilt en rolle i å ta de mer enn 3,000 datapunktene vi har for øyeblikket og som ble analysert i dette arbeidet," sier han. "Jefferson Lab JAM-gruppen har en lang historie med å trekke ut PDF-filer fra slike data."

Tim Hobbs, en teoretisk fysiker ved Argonne som ikke var involvert i dette arbeidet, men som tidligere har vært medforfatter av artikler med flere medlemmer av teamet, kaller studien "provoserende". Han bemerker at arbeidet innebar samtidig å tilpasse proton- og nøytronspredningsdata med et scenario som ligger utenfor Standard Model (BSM) som hypotesen om mørke foton sammen med PDF-ene. Denne tilnærmingen, sier han, "har økt i interesse de siste årene".

Faktisk produserte Hobbs og hans samarbeidspartnere det han kaller "en studie av lignende ånd" i mai 2023 som fokuserte på jet- og toppkvarkdata. "Den grunnleggende bekymringen [er] at signaturer av BSM-fysikk kan være falske "montert bort" i tradisjonelle PDF-analyser som ikke nøye parametriserer BSM uavhengig," forklarer han. Denne bekymringen, legger han til, er "betydelig nok til at det kreves flere globale tilpasninger av denne typen. Jeg forventer veldig mange oppfølgingsstudier i fremtiden.»

Muligheter for videre forskning

Mens han er entusiastisk over verket, påpeker Hobbs et praktisk problem som er avgjørende for tolkningen: kvantifisering av usikkerhet. "Dette er en av utviklingsgrensene på dette feltet," sier han. "Hvordan kommer man frem til en konsistent, reproduserbar usikkerhet i en teoretisk analyse med en komplisert multiparametermodell?"

Hobbs legger til at den nye analysen brukte det han kaller "en mer aggressiv definisjon" av usikkerhet enn det som er vanlig. "Dette kan spille en rolle i å øke den tilsynelatende betydningen av den mørke fotonsignaturen hentet fra DIS-data, så vel som graden av korrelasjon med PDF-ene," sier han. Disse og andre spørsmål, konkluderer han, krever mer etterforskning, og han er «spent på at Hunt-Smith et al. har gitt ytterligere motivasjon i denne retningen”.

Wagner, som heller ikke var involvert i studien, er overrasket over at teamet begrenset analysen til DIS, siden eksistensen av mørke fotoner også ville påvirke resultatene av elektron-positron-eksperimenter som BABAR og LEP. "Verdiene til [blandingsparameteren] epsilon som er oppgitt er ikke veldig små, og en slik effekt bør være synlig," sier han, og bemerker at en tidligere analyse av BABAR-data fant ingen slike mørke-foton-relaterte effekter. Fremtidige studier, foreslår han, kan lære mer ved å endre modellen til å anta en asymmetri mellom partikkelkoblinger, noe som vil bety at ikke alle slike koblinger er styrt av samme blandingsparameter.

FASER søker etter mørke fotoner ved LHC, og finner også nøytrinoer

Thomas er enig i at mer arbeid er nødvendig. "Ettersom resultatet vårt gir ekstremt sterke, men indirekte bevis på eksistensen av denne partikkelen, ville det vært fantastisk å få det bekreftet i andre analyser," sier han. En mulig fremtidig retning, legger han til, ville være å studere resultatene ved å bruke mer sofistikerte versjoner av QCD, selv om han legger til at "bevis i direkte eksperimenter eller andre reaksjoner ville være ideelt. Vi har et veldig sterkt hint og vil gjerne se uavhengig bekreftelse.»

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/dark-photons-could-explain-high-energy-scattering-data/