Ciemne fotony mogą wyjaśnić dane dotyczące rozpraszania wysokoenergetycznego – Świat Fizyki

Nowa analiza przeprowadzona przez międzynarodowy zespół fizyków sugeruje, że ciemne fotony – hipotetyczne cząstki przenoszące siły związane z ciemną materią – mogą wyjaśnić pewne dane z eksperymentów rozpraszania wysokoenergetycznego. Analiza, którą prowadził Nicholasa Hunta-Smitha i koledzy z University of Adelaidew Australii może prowadzić do nowego spojrzenia na naturę ciemnej materii, która pozostaje tajemnicą, mimo że standardowe modele kosmologiczne sugerują, że stanowi ona około 85% masy Wszechświata.

Ciemna materia ma swoją nazwę, ponieważ nie pochłania, nie odbija ani nie emituje promieniowania elektromagnetycznego. To sprawia, że ​​jest niezwykle trudny do wykrycia w laboratorium i jak dotąd wszelkie próby zrobienia tego kończyły się fiaskiem. „Nigdy nie widziano żadnej cząstki poza Modelem Standardowym, który opisuje całą znaną nam materię” – mówi Anthony Thomas, fizyk z Adelajdy i współautor analizy opublikowanej w czasopiśmie „ Dziennik Fizyki Wysokich Energii. „Nie mamy pojęcia, czym jest ciemna materia, chociaż wydaje się, że jest to cząstka (lub cząstki) wykraczająca poza standardowy model”.

Hipoteza ciemnego fotonu

Chociaż ciemna materia jest słabo poznana, jest to jednak wiodące wyjaśnienie, dlaczego galaktyki obracają się szybciej, niż powinny, biorąc pod uwagę ilość zawartej w nich widocznej materii. Chociaż możemy obserwować interakcję ciemnej materii z Wszechświatem, mechanizm tych interakcji jest niejasny. Według Carlosa Wagnera, fizyk cząstek elementarnych w Oddział Fizyki Wysokich Energii (HEP) Narodowego Laboratorium Argonne i profesorem na University of Chicago oraz Instytut Enrico Fermiego, ciemne fotony są jedną z możliwości.

„Historia jest mniej więcej taka: może być coś dodatkowego ciemny sektor, w którym znajduje się ciemna materia i która słabo łączy się ze zwykłym sektorem – w tym przypadku poprzez zmieszanie bozonu cechowania, ciemnego fotonu, ze zwykłymi bozonami neutralności” – mówi Wagner, odnosząc się do fotonów W i Z bozony przenoszące oddziaływania elektromagnetyczne i słabe. „Taki bozon cechowania może w odpowiedni sposób sprzęgać się z ciemną materią i, ogólnie, z hipotetycznym ciemnym sektorem”.

„Prowokujący” wynik

W najnowszym badaniu zespół pod kierownictwem Adelajdy, w skład którego wchodzili także naukowcy z Jefferson Lab w Wirginii w USA, przeprowadził globalną analizę chromodynamiki kwantowej (QCD) danych dotyczących rozpraszania wysokich energii w ramach Jefferson Lab Angular Momentum (JAM). Naukowcy wykazali, że gdy próbują wyjaśnić wyniki eksperymentów z głęboko nieelastycznym rozpraszaniem (DIS), preferowany jest model zawierający ciemny foton w porównaniu z konkurencyjną hipotezą Modelu Standardowego przy istotności 6.5 σ.

„[DIS] to proces, w którym sonda taka jak elektron, mion lub neutrino rozprasza się od protonu z tak dużym transferem energii i pędu (a więc głębokim), że rozbija proton na kawałki (a zatem jest nieelastyczny)” – wyjaśnia Thomas. „Jeśli zsumujesz wszystkie elementy, możesz określić rozkład pędu kwarków w pierwotnym protonie”.

Thomas dodaje, że wyniki tego eksperymentu opisano w kategoriach funkcji rozkładu partonów (PDF), które dają prawdopodobieństwo znalezienia określonego rodzaju kwarku przy danym ułamku pędu protonu. „Wszystkie laboratoria wysokoenergetyczne na świecie odegrały rolę w zebraniu ponad 3,000 punktów danych, które obecnie posiadamy i które zostały przeanalizowane w tej pracy” – mówi. „Grupa Jefferson Lab JAM ma długą historię wyodrębniania plików PDF z takich danych”.

Tima Hobbsa, fizyk teoretyczny z Argonne, który nie był zaangażowany w tę pracę, ale był już współautorem artykułów z kilkoma członkami zespołu, nazywa badanie „prowokacyjnym”. Zauważa, że ​​prace obejmowały jednoczesne dopasowanie danych dotyczących rozpraszania protonów i neutronów do scenariuszy wykraczających poza model standardowy (BSM), takich jak hipoteza ciemnego fotonu, do plików PDF. Podejście to, jego zdaniem, „od kilku lat cieszy się coraz większym zainteresowaniem”.

Rzeczywiście, w maju 2023 r. Hobbs i jego współpracownicy opracowali, jak to nazywa, „studium w podobnym duchu”, które skupiało się na dane dotyczące dżetów i kwarków górnych. „Podstawową obawą jest to, że sygnatury fizyki BSM mogą zostać fałszywie „dopasowane” w tradycyjnych analizach PDF, które nie dokonują niezależnej dokładnej parametryzacji BSM” – wyjaśnia. Dodaje, że obawa ta jest „na tyle znacząca, że ​​potrzebnych jest więcej globalnych ataków tego typu. Spodziewam się wielu dalszych badań w przyszłości.”

Możliwości dalszych badań

Hobbs, entuzjastycznie nastawiony do pracy, zwraca uwagę na kwestię praktyczną, która jest kluczowa dla jej interpretacji: kwantyfikację niepewności. „To jedna z granic rozwoju w tej dziedzinie” – mówi. „Jak dokładnie uzyskać stałą, powtarzalną niepewność w analizie teoretycznej ze skomplikowanym, wieloparametrowym modelem?”

Hobbs dodaje, że w nowej analizie wykorzystano, jak to nazywa, „bardziej agresywną definicję” niepewności, niż jest to typowe. „Może to odgrywać rolę w zwiększaniu widocznego znaczenia sygnatury ciemnego fotonu wyodrębnionej z danych DIS, a także stopnia korelacji z plikami PDF” – mówi. Te i inne pytania, podsumowuje, wymagają dalszych badań i „jest podekscytowany tym Hunt-Smithem i in. dostarczyły dalszej motywacji w tym kierunku”.

Wagner, który również nie był zaangażowany w badania, jest zaskoczony, że zespół ograniczył swoją analizę do DIS, ponieważ istnienie ciemnych fotonów miałoby wpływ również na wyniki eksperymentów elektronowo-pozytonowych, takich jak BABAR i LEP. „Podane wartości [parametru mieszania] epsilon nie są bardzo małe i taki efekt powinien być widoczny” – mówi, zauważając, że poprzednia analiza danych BABAR nie znalazło takich efektów związanych z ciemnymi fotonami. Sugeruje, że przyszłe badania mogłyby dowiedzieć się więcej, zmieniając model tak, aby zakładał asymetrię między sprzężeniami cząstek, co oznaczałoby, że nie wszystkimi takimi sprzężeniami rządzi ten sam parametr mieszania.

FASER szuka ciemnych fotonów w LHC, a także znajduje neutrina

Thomas zgadza się, że potrzeba więcej pracy. „Ponieważ nasz wynik dostarcza niezwykle mocnego, ale pośredniego dowodu na istnienie tej cząstki, byłoby wspaniale, gdyby został on potwierdzony w innych analizach” – mówi. Dodaje, że jednym z możliwych przyszłych kierunków byłoby zbadanie wyników przy użyciu bardziej wyrafinowanych wersji QCD, chociaż dodaje, że „idealne byłyby dowody uzyskane w bezpośrednich eksperymentach lub innych reakcjach. Mamy bardzo silną wskazówkę i bardzo chcielibyśmy zobaczyć niezależne potwierdzenie”.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/dark-photons-could-explain-high-energy-scattering-data/