โฟตอนมืดสามารถอธิบายข้อมูลการกระเจิงพลังงานสูงได้ - โลกฟิสิกส์

โฟตอนมืดสามารถอธิบายข้อมูลการกระเจิงพลังงานสูงได้ - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 17 ตุลาคม 2023 9:24 น.

ภาพกลุ่มทรงกลมมืดรวมตัวกันบนพื้นหลังสีเข้ม
ผู้ส่งสารจากด้านมืด: สสารมืดอาจโต้ตอบกับสสารปกติผ่านอนุภาคสมมุติที่เรียกว่าโฟตอนมืด (เอื้อเฟื้อโดย: Shutterstock/80's Child)

การวิเคราะห์ใหม่ที่ดำเนินการโดยทีมนักฟิสิกส์นานาชาติชี้ให้เห็นว่าโฟตอนมืดซึ่งเป็นอนุภาคสมมุติที่มีแรงเกี่ยวข้องกับสสารมืด สามารถอธิบายข้อมูลบางอย่างจากการทดลองการกระเจิงพลังงานสูงได้ โดยมีการวิเคราะห์ซึ่งนำโดย นิโคลัส ฮันท์-สมิธ และเพื่อนร่วมงานที่ มหาวิทยาลัยแอดิเลดออสเตรเลียอาจนำไปสู่ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับธรรมชาติของสสารมืดซึ่งยังคงเป็นปริศนา แม้ว่าแบบจำลองจักรวาลวิทยามาตรฐานจะแนะนำว่าสสารนี้มีมวลประมาณ 85% ของมวลจักรวาลก็ตาม

สสารมืดได้ชื่อมาเนื่องจากมันไม่ดูดซับ สะท้อน หรือปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้ตรวจพบได้ยากในห้องปฏิบัติการ และจนถึงขณะนี้ความพยายามในการตรวจจับทั้งหมดกลับเป็นมือเปล่า “ไม่เคยมีใครพบเห็นอนุภาคใดนอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐานซึ่งอธิบายเรื่องทั้งหมดที่เราคุ้นเคยมาก่อน” กล่าว แอนโทนี่ โธมัสนักฟิสิกส์จากแอดิเลดและผู้เขียนร่วมของการวิเคราะห์ ซึ่งตีพิมพ์ใน วารสารฟิสิกส์พลังงานสูง. “เราไม่รู้ว่าสสารมืดคืออะไร แม้ว่าดูเหมือนว่าจะ [a] เกินกว่าอนุภาคแบบจำลองมาตรฐาน (หรืออนุภาค) ก็ตาม”

สมมติฐานโฟตอนมืด

แม้ว่าเราจะเข้าใจสสารมืดได้ไม่ดีนัก แต่ก็เป็นคำอธิบายที่สำคัญว่าทำไมกาแลคซีถึงหมุนเร็วกว่าที่ควรจะเป็น เมื่อพิจารณาจากปริมาณสสารที่มองเห็นได้ในพวกมัน แม้ว่าเราจะสังเกตเห็นสสารมืดที่มีปฏิสัมพันธ์กับจักรวาลได้ แต่กลไกของการปฏิสัมพันธ์เหล่านี้ยังไม่ชัดเจน ตาม คาร์ลอส วากเนอร์, นักฟิสิกส์อนุภาคใน แผนกฟิสิกส์พลังงานสูง (HEP) ของห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne และอาจารย์ที่ มหาวิทยาลัยชิคาโก และ สถาบันเอนรีโก แฟร์มีโฟตอนที่มืดก็เป็นไปได้อย่างหนึ่ง

“เรื่องราวก็เป็นประมาณนี้ อาจมีเพิ่มเติมก็ได้ ภาคมืดในที่ที่มีสสารมืดอาศัยอยู่ และคู่กันนั้นอ่อนแอต่อภาคส่วนปกติ ในกรณีนี้ โดยการผสมของเกจโบซอน โฟตอนมืด กับโบซอนเกจเป็นกลางทั่วไป” วากเนอร์กล่าวถึงโฟตอน W และ Z กล่าว โบซอนที่นำพาแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงอ่อน “เกจโบซอนดังกล่าวอาจจับคู่กันในลักษณะที่เกี่ยวข้องกับสสารมืดและโดยทั่วไปกับเซกเตอร์มืดสมมุติ”

ผลลัพธ์ที่ "ยั่วยุ"

ในการศึกษาล่าสุด ทีมงานที่นำโดยแอดิเลด ซึ่งรวมถึงนักวิจัยจาก Jefferson Lab ในรัฐเวอร์จิเนีย สหรัฐอเมริกา ได้ทำการวิเคราะห์ควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (QCD) ทั่วโลกของข้อมูลการกระเจิงพลังงานสูงภายในกรอบการทำงานของ Jefferson Lab Angular Momentum (JAM) นักวิจัยแสดงให้เห็นว่าเมื่อพวกเขาพยายามอธิบายผลลัพธ์ของการทดลองการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นเชิงลึก (DIS) แบบจำลองที่รวมโฟตอนสีเข้มเข้าไว้ด้วยกันเป็นที่ต้องการมากกว่าสมมติฐานแบบจำลองมาตรฐานที่แข่งขันกันซึ่งมีนัยสำคัญที่6.5σ

“(DIS) เป็นกระบวนการที่โพรบ เช่น อิเล็กตรอน มิวออน หรือนิวตริโนกระเจิงจากโปรตอนที่มีการถ่ายเทพลังงานและโมเมนตัมสูง (ลึกมาก) จนทำให้โปรตอนแตกเป็นชิ้นๆ (จึงไม่ยืดหยุ่น)” โทมัสอธิบาย “ถ้าคุณรวมชิ้นส่วนทั้งหมดเข้าด้วยกัน คุณสามารถกำหนดการกระจายโมเมนตัมของควาร์กภายในโปรตอนดั้งเดิมได้”

โทมัสเสริมว่าผลลัพธ์ของการทดลองนี้อธิบายไว้ในรูปแบบของฟังก์ชันการกระจายพาร์ตอน (PDF) ซึ่งให้ความน่าจะเป็นในการค้นหาควาร์กประเภทใดชนิดหนึ่งด้วยเศษส่วนของโมเมนตัมของโปรตอนที่กำหนด “ห้องปฏิบัติการพลังงานสูงทุกแห่งในโลกมีบทบาทในการรับจุดข้อมูลมากกว่า 3,000 จุดที่เรามีอยู่ในปัจจุบัน ซึ่งได้รับการวิเคราะห์ในงานนี้” เขากล่าว “กลุ่ม Jefferson Lab JAM มีประวัติอันยาวนานในการดึงข้อมูล PDF ออกจากข้อมูลดังกล่าว”

รูปภาพแสดงกาแล็กซีจำนวนมากบนพื้นหลังสีดำ โดยมีแสงสีม่วงอมฟ้าอยู่ตรงกลาง
รัศมีมืด: ภาพถ่ายจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลของบริเวณด้านในของกระจุกดาราจักรเอเบลล์ 1689 แม้ว่าจะไม่สามารถถ่ายภาพสสารมืดได้โดยตรง แต่ก็สามารถทำแผนที่ได้โดยการวางแผนส่วนโค้งมากมายมหาศาลที่เกิดจากแสงจากกาแลคซีพื้นหลังที่บิดเบี้ยวจากเบื้องหน้า สนามโน้มถ่วงของกระจุกดาว ระบุด้วยภาพซ้อนทับสีน้ำเงิน (เอื้อเฟื้อโดย: NASA, ESA, E Jullo/Jet Propulsion Laboratory, P Natarajan/Yale University และ JP Kneib/Laboratoire d'Astrophysique de Marseille, CNRS, ฝรั่งเศส; กิตติกรรมประกาศ: H Ford และ N Benetiz/Johns Hopkins University และ T Broadhurst/ มหาวิทยาลัยเทลอาวีฟ)

ทิม ฮอบส์นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่ Argonne ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานนี้ แต่เคยร่วมเขียนบทความร่วมกับสมาชิกหลายคนในทีม เรียกการศึกษานี้ว่า "ยั่วยุ" เขาตั้งข้อสังเกตว่างานนี้เกี่ยวข้องกับการปรับข้อมูลการกระเจิงของโปรตอนและนิวตรอนให้เหมาะสมไปพร้อมๆ กันด้วยสถานการณ์ที่อยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐาน (BSM) เช่น สมมติฐานโฟตอนที่มืดควบคู่ไปกับ PDF เขากล่าวว่าแนวทางนี้ “ได้รับความสนใจเพิ่มมากขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา”

แท้จริงแล้ว Hobbs และผู้ร่วมงานของเขาได้สร้างสิ่งที่เขาเรียกว่า "การศึกษาเกี่ยวกับจิตวิญญาณที่คล้ายคลึงกัน" ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2023 ซึ่งมุ่งเน้นไปที่ ข้อมูลเจ็ตและท็อปควาร์ก. “ความกังวลพื้นฐาน [คือ] ลายเซ็นของฟิสิกส์ BSM สามารถ 'ติดตั้ง' ปลอมแปลงในการวิเคราะห์ PDF แบบดั้งเดิมที่ไม่ได้กำหนดพารามิเตอร์ BSM อย่างอิสระอย่างระมัดระวัง” เขาอธิบาย เขากล่าวเสริมว่าข้อกังวลนี้ “สำคัญพอที่จะทำให้ต้องมีความเหมาะสมกับประเภทนี้ในระดับสากลมากขึ้น ฉันคาดหวังการศึกษาติดตามผลมากมายในอนาคตเป็นอย่างมาก”

โอกาสในการวิจัยเพิ่มเติม

แม้ว่าฮอบส์จะกระตือรือร้นกับงานนี้ แต่ฮอบส์ก็ชี้ให้เห็นประเด็นในทางปฏิบัติซึ่งมีความสำคัญต่อการตีความ นั่นคือ การระบุปริมาณความไม่แน่นอน “นี่คือหนึ่งในขอบเขตการพัฒนาในสาขานี้” เขากล่าว “เราจะบรรลุถึงความไม่แน่นอนที่สม่ำเสมอและทำซ้ำได้ในการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีด้วยแบบจำลองหลายพารามิเตอร์ที่ซับซ้อนได้อย่างไร”

ฮอบส์เสริมว่าการวิเคราะห์ใหม่ใช้สิ่งที่เขาเรียกว่า "คำจำกัดความเชิงรุกมากขึ้น" ของความไม่แน่นอนมากกว่าปกติ “สิ่งนี้อาจมีบทบาทในการเพิ่มความสำคัญที่ชัดเจนของลายเซ็นโฟตอนที่มืดที่แยกจากข้อมูล DIS รวมถึงระดับความสัมพันธ์กับ PDF” เขากล่าว เขาสรุปว่าคำถามเหล่านี้และคำถามอื่นๆ จำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบเพิ่มเติม และเขา “รู้สึกตื่นเต้นกับฮันท์-สมิธมาก เอตอัล ได้ให้แรงบันดาลใจเพิ่มเติมในทิศทางนี้”

วากเนอร์ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษานี้ด้วย รู้สึกประหลาดใจที่ทีมงานจำกัดการวิเคราะห์ไว้เฉพาะที่ DIS เนื่องจากการมีอยู่ของโฟตอนที่มืดก็จะส่งผลต่อผลลัพธ์ของการทดลองอิเล็กตรอน-โพซิตรอน เช่น BABAR และ LEP “ค่าของ [พารามิเตอร์การผสม] เอปไซลอนที่ยกมานั้นไม่เล็กมากและควรมองเห็นผลกระทบดังกล่าวได้” เขากล่าวโดยสังเกตว่า การวิเคราะห์ข้อมูล BABAR ก่อนหน้า ไม่พบผลกระทบที่เกี่ยวข้องกับโฟตอนมืดดังกล่าว เขาแนะนำว่าการศึกษาในอนาคตสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมได้โดยการเปลี่ยนแบบจำลองเพื่อรับความไม่สมดุลระหว่างข้อต่ออนุภาค ซึ่งหมายความว่าข้อต่อดังกล่าวบางส่วนไม่ได้ถูกควบคุมโดยพารามิเตอร์การผสมเดียวกัน

โทมัสยอมรับว่าจำเป็นต้องมีงานเพิ่ม “เนื่องจากผลลัพธ์ของเราให้หลักฐานที่แข็งแกร่งอย่างยิ่งแต่โดยอ้อมเกี่ยวกับการมีอยู่ของอนุภาคนี้ คงจะดีไม่น้อยหากได้รับการยืนยันในการวิเคราะห์อื่นๆ” เขากล่าว เขากล่าวเสริมว่าทิศทางที่เป็นไปได้ในอนาคตประการหนึ่งคือการศึกษาผลลัพธ์โดยใช้ QCD เวอร์ชันที่ซับซ้อนกว่านี้ แม้ว่าเขาจะเสริมว่า "หลักฐานในการทดลองโดยตรงหรือปฏิกิริยาอื่นๆ น่าจะเหมาะสมที่สุด เรามีคำใบ้ที่ชัดเจนมากและอยากเห็นคำยืนยันจากหน่วยงานอิสระ”

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์