Mörka fotoner kan förklara högenergispridningsdata – Physics World

En ny analys utförd av ett internationellt team av fysiker tyder på att mörka fotoner – hypotetiska partiklar som bär krafter associerade med mörk materia – skulle kunna förklara vissa data från högenergispridningsexperiment. Analysen, som leddes av Nicholas Hunt-Smith och kollegor på University of Adelaide, Australien, kan leda till nya insikter om mörk materias natur, vilket förblir ett mysterium även om standardmodeller för kosmologi tyder på att den utgör cirka 85 % av universums massa.

Mörk materia har fått sitt namn för att den inte absorberar, reflekterar eller avger elektromagnetisk strålning. Detta gör det extremt svårt att upptäcka i laboratoriet, och hittills har alla försök att göra det kommit upp tomhänta. "Ingen partikel utöver standardmodellen, som beskriver all materia som vi är bekanta med, har någonsin setts," säger Anthony Thomas, en fysiker vid Adelaide och en medförfattare till analysen, som publiceras i Journal of High Energy Physics. "Vi har ingen aning om vad mörk materia är, även om det verkar vara [a] bortom standardmodellpartiklar (eller partiklar)."

Den mörka fotonhypotesen

Även om mörk materia är dåligt förstådd, är det ändå den främsta förklaringen till varför galaxer roterar snabbare än de borde, med tanke på mängden synlig materia de innehåller. Men även om vi kan observera mörk materia som interagerar med universum, är mekanismen för dessa interaktioner oklar. Enligt Carlos Wagner, en partikelfysiker i Högenergifysik (HEP) avdelning av Argonne National Laboratory och en professor vid University of Chicago och Enrico Fermi-institutet, mörka fotoner är en möjlighet.

"Berättelsen är ungefär så här: det kan finnas ytterligare en mörk sektor, där mörk materia finns, och som kopplar svagt till den vanliga sektorn – i det här fallet, via blandning av en gauge boson, den mörka fotonen, med de vanliga neutral gauge bosonerna”, säger Wagner och syftar på fotonerna W och Z. bosoner som bär de elektromagnetiska och svaga krafterna. "En sådan gauge boson kan kopplas på ett relevant sätt till den mörka materien och i allmänhet till en hypotetisk mörk sektor."

Ett "provokativt" resultat

I den senaste studien utförde det Adelaide-ledda teamet, som även inkluderade forskare vid Jefferson Lab i Virginia, USA, en global kvantkromodynamikanalys (QCD) av högenergispridningsdata inom ramen för Jefferson Lab Angular Momentum (JAM). Forskarna visade att när de försöker förklara resultaten av experiment med djup inelastisk spridning (DIS) föredras en modell som innehåller en mörk foton framför den konkurrerande standardmodellhypotesen med en signifikans av 6.5σ.

"[DIS] är processen där en sond som en elektron, myon eller neutrino sprider sig från en proton med så hög överföring av energi och rörelsemängd (därav djup) att den krossar protonen i bitar (därav oelastisk)", förklarar Thomas. "Om du summerar alla bitar kan du bestämma fördelningen av momentum för kvarkarna inom den ursprungliga protonen."

Thomas tillägger att resultaten av detta experiment beskrivs i termer av partondistributionsfunktioner (PDF), som ger sannolikheten att hitta en specifik typ av kvark med en given bråkdel av protonens rörelsemängd. "Alla högenergilabb i världen har spelat en roll i att ta de mer än 3,000 XNUMX datapunkter vi för närvarande har och som analyserades i detta arbete", säger han. "Jafferson Lab JAM-gruppen har en lång historia av att extrahera PDF-filer från sådana data."

Tim Hobbs, en teoretisk fysiker vid Argonne som inte var inblandad i detta arbete men som tidigare har skrivit uppsatser med flera medlemmar i teamet, kallar studien "provocerande". Han noterar att arbetet innebar att samtidigt passa proton- och neutronspridningsdata med ett scenario som ligger utanför standardmodellen (BSM) som hypotesen för mörka foton tillsammans med PDF-filerna. Detta tillvägagångssätt, säger han, "har ökat i intresse under de senaste åren".

Faktum är att Hobbs och hans medarbetare producerade vad han kallar "en studie av liknande anda" i maj 2023 som fokuserade på jet och top-quark data. "Den grundläggande oron [är] att signaturer för BSM-fysik kan vara falskt "passade bort" i traditionella PDF-analyser som inte noggrant parametriserar BSM oberoende av varandra, förklarar han. Denna oro, tillägger han, är "tillräckligt betydande för att fler globala passningar av denna typ krävs. Jag förväntar mig mycket uppföljningsstudier i framtiden.”

Möjligheter till vidare forskning

Samtidigt som Hobbs är entusiastisk över arbetet påpekar han en praktisk fråga som är avgörande för dess tolkning: kvantifiering av osäkerhet. "Detta är en av utvecklingsgränserna inom detta område", säger han. "Hur exakt kommer man fram till en konsekvent, reproducerbar osäkerhet i en teoretisk analys med en komplicerad multiparametermodell?"

Hobbs tillägger att den nya analysen använde vad han kallar "en mer aggressiv definition" av osäkerhet än vad som är typiskt. "Detta kan spela en roll för att öka den uppenbara betydelsen av den mörka fotonsignaturen som extraheras från DIS-data, såväl som graden av korrelation med PDF-filerna", säger han. Dessa och andra frågor, avslutar han, kräver mer utredning, och han är "exalterad över att Hunt-Smith et al. har gett ytterligare motivation i denna riktning”.

Wagner, som inte heller var inblandad i studien, är förvånad över att teamet begränsade sin analys till DIS, eftersom förekomsten av mörka fotoner också skulle påverka resultaten av elektron-positronexperiment som BABAR och LEP. "Värdena för [blandningsparametern] epsilon är inte särskilt små och en sådan effekt bör vara synlig", säger han och noterar att en tidigare analys av BABAR-data hittade inga sådana mörk-foton-relaterade effekter. Framtida studier, föreslår han, skulle kunna lära sig mer genom att ändra modellen för att anta en asymmetri mellan partikelkopplingar, vilket skulle innebära att inte alla sådana kopplingar styrs av samma blandningsparameter.

FASER söker efter mörka fotoner vid LHC och hittar även neutriner

Thomas håller med om att det krävs mer arbete. "Eftersom vårt resultat ger extremt starka men indirekta bevis på existensen av denna partikel, skulle det vara underbart att få det bekräftat i andra analyser", säger han. En möjlig framtida riktning, tillägger han, skulle vara att studera resultaten med mer sofistikerade versioner av QCD, även om han tillägger att "bevis i direkta experiment eller andra reaktioner skulle vara idealiska. Vi har en mycket stark antydan och skulle gärna se oberoende bekräftelse.”

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/dark-photons-could-explain-high-energy-scattering-data/