Temni fotoni bi lahko razložili podatke o sipanju visoke energije – Svet fizike

Nova analiza, ki jo je izvedla mednarodna skupina fizikov, nakazuje, da bi temni fotoni – hipotetični delci, ki prenašajo sile, povezane s temno snovjo – lahko pojasnili nekatere podatke iz eksperimentov visokoenergetskega sipanja. Analiza, ki jo je vodil Nicholas Hunt-Smith in sodelavci na University of Adelaide, Avstralija, bi lahko vodilo do novih vpogledov v naravo temne snovi, ki ostaja skrivnost, čeprav standardni modeli kozmologije kažejo, da predstavlja približno 85 % mase vesolja.

Temna snov je dobila svoje ime, ker ne absorbira, odbija ali oddaja elektromagnetnega sevanja. Zaradi tega ga je izjemno težko odkriti v laboratoriju in doslej so vsi poskusi tega ostali praznih rok. »Še nikoli ni bil viden noben delec onkraj standardnega modela, ki opisuje vso materijo, ki jo poznamo,« pravi Anthony Thomas, fizik iz Adelaide in soavtor analize, ki je objavljena v Journal of High Energy Physics. "Nimamo pojma, kaj je temna snov, čeprav se zdi verjetno, da presega delce (ali delce) standardnega modela."

Hipoteza temnega fotona

Čeprav je temna snov slabo razumljena, je kljub temu vodilna razlaga, zakaj se galaksije vrtijo hitreje, kot bi morale, glede na količino vidne snovi, ki jo vsebujejo. Toda čeprav lahko opazujemo interakcijo temne snovi z vesoljem, mehanizem za te interakcije ni jasen. Po navedbah Carlos Wagner, fizik delcev v Oddelek za fiziko visokih energij (HEP) nacionalnega laboratorija Argonne in profesor na University of Chicago in Inštitut Enrica Fermija, temni fotoni so ena od možnosti.

»Zgodba je nekako taka: lahko pride do dodatnega temni sektor, kjer se nahaja temna snov, in ki se šibko povezuje z običajnim sektorjem – v tem primeru z mešanjem merilnega bozona, temnega fotona, z navadnimi nevtralnimi merilnimi bozoni,« pravi Wagner, ki se nanaša na fotone, W in Z. bozoni, ki prenašajo elektromagnetne in šibke sile. "Tak merilni bozon se lahko na ustrezen način poveže s temno snovjo in na splošno s hipotetičnim temnim sektorjem."

"Provokativen" rezultat

V najnovejši študiji je ekipa pod vodstvom Adelaide, ki je vključevala tudi raziskovalce v laboratoriju Jefferson v Virginiji v ZDA, izvedla analizo globalne kvantne kromodinamike (QCD) podatkov o sipanju visoke energije v okviru Jefferson Lab Angular Momentum (JAM). Raziskovalci so pokazali, da ko poskušajo razložiti rezultate eksperimentov z globokim neelastičnim sipanjem (DIS), ima model, ki vključuje temni foton, prednost pred konkurenčno hipotezo standardnega modela s pomembnostjo 6.5σ.

"[DIS] je proces, pri katerem se sonda, kot je elektron, mion ali nevtrino, razprši od protona s tako visokim prenosom energije in zagona (zato globoko), da razbije proton na koščke (torej neelastičen)," pojasnjuje Thomas. "Če seštejete vse dele, lahko določite porazdelitev zagona kvarkov znotraj prvotnega protona."

Thomas dodaja, da so rezultati tega poskusa opisani v smislu partonskih porazdelitvenih funkcij (PDF), ki dajejo verjetnost, da najdemo določeno vrsto kvarka z danim deležem gibalne količine protona. »Vsi visokoenergijski laboratoriji na svetu so sodelovali pri zbiranju več kot 3,000 podatkovnih točk, ki jih trenutno imamo in so bile analizirane v tem delu,« pravi. "Skupina Jefferson Lab JAM ima dolgo zgodovino pridobivanja datotek PDF iz takih podatkov."

Tim Hobbs, teoretični fizik v Argonnu, ki ni bil vključen v to delo, vendar je prej soavtor člankov z več člani ekipe, imenuje študijo "provokativno". Ugotavlja, da je delo vključevalo hkratno prilagajanje podatkov o sipanju protonov in nevtronov s scenarijem, ki presega standardni model (BSM), kot je hipoteza o temnem fotonu, poleg PDF-jev. Ta pristop, pravi, "v zadnjih nekaj letih narašča zanimanje".

Dejansko so Hobbs in njegovi sodelavci maja 2023 izdelali tako imenovano »študijo podobnega duha«, ki se je osredotočala na podatki o curkih in top-kvarkih. »Osnovna skrb [je], da bi lahko podpise fizike BSM lažno 'popravili' v tradicionalnih analizah PDF, ki neodvisno natančno parametrizirajo BSM,« pojasnjuje. Ta skrb, dodaja, je »dovolj pomembna, da je potrebnih več globalnih primerov te vrste. V prihodnosti pričakujem veliko nadaljnjih študij."

Možnosti za nadaljnje raziskave

Medtem ko je navdušen nad delom, Hobbs izpostavlja praktično vprašanje, ki je ključno za njegovo razlago: kvantifikacija negotovosti. »To je ena od razvojnih meja na tem področju,« pravi. "Kako natančno pridemo do dosledne, ponovljive negotovosti v teoretični analizi z zapletenim modelom z več parametri?"

Hobbs dodaja, da je nova analiza uporabila tisto, kar imenuje "bolj agresivno definicijo" negotovosti, kot je običajno. "To lahko igra vlogo pri povečanju očitnega pomena temnega fotonskega podpisa, pridobljenega iz podatkov DIS, kot tudi stopnje korelacije s PDF-ji," pravi. Ta in druga vprašanja, zaključuje, zahtevajo več raziskav, in je "navdušen, da Hunt-Smith et al. zagotovili nadaljnjo motivacijo v tej smeri«.

Wagner, ki prav tako ni bil vključen v študijo, je presenečen, da je ekipa svojo analizo omejila na DIS, saj bi obstoj temnih fotonov vplival tudi na rezultate eksperimentov z elektroni in pozitroni, kot sta BABAR in LEP. »Navedene vrednosti [mešalnega parametra] epsilon niso zelo majhne in tak učinek bi moral biti viden,« pravi in ​​ugotavlja, da predhodna analiza podatkov BABAR niso našli takšnih učinkov, povezanih s temnimi fotoni. Predlaga, da bi se prihodnje študije lahko naučile več s spremembo modela, da bi prevzeli asimetrijo med sklopi delcev, kar bi pomenilo, da vseh takšnih sklopov ne ureja isti parameter mešanja.

FASER išče temne fotone na LHC in najde tudi nevtrine

Thomas se strinja, da je potrebno več dela. "Ker daje naš rezultat izjemno močan, a posreden dokaz o obstoju tega delca, bi bilo čudovito, če bi ga potrdili v drugih analizah," pravi. Ena možna smer v prihodnosti, dodaja, bi bila preučevanje rezultatov z uporabo bolj sofisticiranih različic QCD, čeprav dodaja, da bi bili "dokazi v neposrednih poskusih ali drugih reakcijah idealni." Imamo zelo močan namig in radi bi videli neodvisno potrditev.«

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/dark-photons-could-explain-high-energy-scattering-data/