Photon tối có thể giải thích dữ liệu tán xạ năng lượng cao

Photon tối có thể giải thích dữ liệu tán xạ năng lượng cao

Dấu thời gian: 17 tháng 2023 năm 9 24:XNUMX sáng

Hình ảnh một nhóm các quả cầu đen cuộn lại với nhau trên nền tối
Sứ giả từ phía tối: Vật chất tối có thể tương tác với vật chất bình thường thông qua một hạt giả định được gọi là photon tối. (Ảnh: Shutterstock/80's Child)

Một phân tích mới được thực hiện bởi một nhóm các nhà vật lý quốc tế cho thấy rằng các photon tối – các hạt giả thuyết mang lực liên quan đến vật chất tối – có thể giải thích một số dữ liệu nhất định từ các thí nghiệm tán xạ năng lượng cao. Việc phân tích, được dẫn dắt bởi Nicholas Hunt Smith và các đồng nghiệp tại Đại học Adelaide, Úc, có thể dẫn đến những hiểu biết mới về bản chất của vật chất tối, vẫn còn là một bí ẩn mặc dù các mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn cho thấy nó chiếm khoảng 85% khối lượng vũ trụ.

Vật chất tối có tên như vậy vì nó không hấp thụ, phản xạ hoặc phát ra bức xạ điện từ. Điều này khiến cho việc phát hiện nó trong phòng thí nghiệm trở nên cực kỳ khó khăn và cho đến nay mọi nỗ lực nhằm làm điều đó đều thất bại. “Không có hạt nào ngoài Mô hình Chuẩn, mô tả mọi vật chất mà chúng ta quen thuộc, từng được nhìn thấy,” nói Anthony Thomas, một nhà vật lý tại Adelaide và là đồng tác giả của bài phân tích được công bố trên tạp chí Tạp chí Vật lý năng lượng cao. “Chúng tôi không biết vật chất tối là gì, mặc dù có vẻ như nó [a] nằm ngoài hạt (hoặc các hạt) mô hình tiêu chuẩn.”

Giả thuyết photon tối

Mặc dù vật chất tối chưa được hiểu rõ nhưng nó vẫn là lời giải thích hàng đầu cho lý do tại sao các thiên hà quay nhanh hơn mức cần thiết, dựa trên lượng vật chất nhìn thấy mà chúng chứa. Nhưng mặc dù chúng ta có thể quan sát vật chất tối tương tác với vũ trụ nhưng cơ chế của những tương tác này vẫn chưa rõ ràng. Dựa theo Carlos Wagner, một nhà vật lý hạt ở Bộ phận Vật lý Năng lượng Cao (HEP) của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne và một giáo sư tại Đại học Chicago và Viện Enrico Fermi, các photon tối là một khả năng.

“Câu chuyện là như thế này: có thể có thêm một khu vực tối, nơi vật chất tối cư trú và kết hợp yếu với khu vực thông thường – trong trường hợp này, thông qua sự trộn lẫn của boson chuẩn, photon tối, với các boson chuẩn trung tính thông thường,” Wagner nói, đề cập đến các photon, W và Z boson mang lực điện từ và lực yếu. “Một boson đo như vậy có thể kết hợp theo cách phù hợp với vật chất tối và nói chung với một khu vực tối giả định.”

Một kết quả “khiêu khích”

Trong nghiên cứu mới nhất, nhóm do Adelaide dẫn đầu, bao gồm cả các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Jefferson ở Virginia, Hoa Kỳ, đã thực hiện phân tích sắc động lực học lượng tử toàn cầu (QCD) về dữ liệu tán xạ năng lượng cao trong khuôn khổ Mô men góc (JAM) của Phòng thí nghiệm Jefferson. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng khi họ cố gắng giải thích các kết quả của các thí nghiệm tán xạ không đàn hồi sâu (DIS), một mô hình kết hợp một photon tối được ưu tiên hơn so với giả thuyết Mô hình Chuẩn cạnh tranh ở mức ý nghĩa 6.5σ.

“[DIS] là quá trình trong đó một tàu thăm dò như electron, muon hoặc neutrino tán xạ khỏi một proton với sự truyền năng lượng và động lượng cao đến mức nó đập vỡ proton thành từng mảnh (do đó không đàn hồi),” Thomas giải thích. “Nếu bạn tổng hợp tất cả các phần lại, bạn có thể xác định được sự phân bố động lượng của các quark bên trong proton ban đầu.”

Thomas cho biết thêm rằng kết quả của thí nghiệm này được mô tả dưới dạng hàm phân bố parton (PDF), hàm này cho xác suất tìm thấy một loại quark cụ thể với một phần động lượng của proton cho trước. Ông nói: “Tất cả các phòng thí nghiệm năng lượng cao trên thế giới đều đóng vai trò lấy hơn 3,000 điểm dữ liệu mà chúng tôi hiện có và được phân tích trong nghiên cứu này”. “Nhóm JAM của Phòng thí nghiệm Jefferson có lịch sử lâu dài trong việc trích xuất các tệp PDF từ dữ liệu đó.”

Hình ảnh thể hiện nhiều thiên hà trên nền đen, với ánh sáng màu xanh tím ở trung tâm
Quầng tối: Hình ảnh từ Kính viễn vọng Không gian Hubble về vùng bên trong của cụm thiên hà Abell 1689. Mặc dù vật chất tối không thể chụp ảnh trực tiếp nhưng nó có thể được lập bản đồ bằng cách vẽ đồ thị vô số các cung được tạo ra bởi ánh sáng từ các thiên hà nền bị biến dạng bởi tiền cảnh trường hấp dẫn của cụm, được biểu thị bằng lớp phủ màu xanh lam. (Được phép: NASA, ESA, E Jullo/Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực, Đại học P Natarajan/Yale, và JP Kneib/Laboratoire d'Astrophysical de Marseille, CNRS, Pháp; Lời cảm ơn: H Ford và N Benetiz/Đại học Johns Hopkins và T Broadhurst/ Đại học Tel Aviv)

Tim Hobbs, một nhà vật lý lý thuyết tại Argonne, người không tham gia vào công việc này nhưng trước đây đã có các bài báo đồng tác giả với một số thành viên trong nhóm, gọi nghiên cứu này là “khiêu khích”. Ông lưu ý rằng công việc liên quan đến việc điều chỉnh đồng thời dữ liệu tán xạ proton và neutron với một kịch bản ngoài Mô hình Chuẩn (BSM), chẳng hạn như giả thuyết photon tối cùng với các tệp PDF. Ông nói, cách tiếp cận này “đã ngày càng được quan tâm trong vài năm qua”.

Thật vậy, Hobbs và các cộng tác viên của ông đã thực hiện cái mà ông gọi là “một nghiên cứu có tinh thần tương tự” vào tháng 2023 năm XNUMX, tập trung vào dữ liệu phản lực và quark đỉnh. “Điều đáng lo ngại cơ bản là các dấu hiệu vật lý BSM có thể được 'lắp đặt' một cách giả tạo trong các phân tích PDF truyền thống không tham số hóa BSM một cách cẩn thận một cách độc lập,” ông giải thích. Ông cho biết thêm, mối lo ngại này “đủ quan trọng để cần có nhiều sự phù hợp toàn cầu hơn thuộc loại này. Tôi rất mong đợi nhiều nghiên cứu tiếp theo trong tương lai.”

Cơ hội nghiên cứu sâu hơn

Trong khi hào hứng với công trình này, Hobbs chỉ ra một vấn đề thực tế có tính quyết định đối với việc giải thích nó: định lượng độ không đảm bảo. Ông nói: “Đây là một trong những biên giới phát triển trong lĩnh vực này. “Chính xác thì làm thế nào người ta đạt được độ không đảm bảo nhất quán, có thể tái tạo trong một phân tích lý thuyết với một mô hình đa thông số phức tạp?”

Hobbs cho biết thêm rằng phân tích mới đã sử dụng cái mà ông gọi là “một định nghĩa mạnh mẽ hơn” về sự không chắc chắn hơn là thông thường. Ông nói: “Điều này có thể đóng một vai trò trong việc nâng cao tầm quan trọng rõ ràng của chữ ký photon tối được trích xuất từ ​​dữ liệu DIS, cũng như mức độ tương quan với các tệp PDF”. Ông kết luận rằng những câu hỏi này và những câu hỏi khác đòi hỏi phải điều tra thêm, và ông “rất vui mừng khi Hunt-Smith et al. đã cung cấp thêm động lực theo hướng này”.

Wagner, người cũng không tham gia vào nghiên cứu, rất ngạc nhiên khi đội nghiên cứu giới hạn phân tích của họ ở DIS, vì sự tồn tại của các photon tối cũng sẽ ảnh hưởng đến kết quả của các thí nghiệm electron-positron như BABAR và LEP. “Các giá trị của [tham số trộn] epsilon được trích dẫn không nhỏ lắm và hiệu ứng như vậy sẽ được nhìn thấy rõ ràng,” ông nói và lưu ý rằng một phân tích trước đây về dữ liệu BABAR không tìm thấy những hiệu ứng liên quan đến photon tối như vậy. Ông đề xuất, các nghiên cứu trong tương lai có thể tìm hiểu thêm bằng cách thay đổi mô hình để giả sử sự bất đối xứng giữa các liên kết hạt, điều đó có nghĩa là không phải tất cả các liên kết như vậy đều bị chi phối bởi cùng một tham số trộn.

Thomas đồng ý rằng cần phải làm việc nhiều hơn. “Vì kết quả của chúng tôi đưa ra bằng chứng cực kỳ mạnh mẽ nhưng gián tiếp về sự tồn tại của hạt này, nên sẽ thật tuyệt vời nếu nó được xác nhận trong các phân tích khác,” ông nói. Ông cho biết thêm, một hướng khả thi trong tương lai sẽ là nghiên cứu các kết quả bằng cách sử dụng các phiên bản QCD phức tạp hơn, mặc dù ông nói thêm rằng “bằng chứng trong các thí nghiệm trực tiếp hoặc các phản ứng khác sẽ là lý tưởng. Chúng tôi có một gợi ý rất chắc chắn và rất mong nhận được sự xác nhận độc lập.”

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý