Темный фотон

Темный фотон (также скрытый , тяжелый , пара- или изолированный фотон ) — это гипотетическая скрытого сектора частица , предложенная в качестве носителя силы, аналогичная фотону электромагнетизма , но потенциально связанная с темной материей . В минимальном сценарии эта новая сила может быть введена путем расширения калибровочной группы Стандартной модели физики элементарных частиц новой абелевой U(1) калибровочной симметрией . Соответствующий новый со спином 1 калибровочный бозон (т. е. темный фотон) может затем очень слабо связываться с электрически заряженными частицами посредством кинетического смешивания с обычным фотоном. и, таким образом, может быть обнаружен. Темный фотон также может взаимодействовать со Стандартной моделью, если некоторые фермионы заряжены под новой абелевой группой. Возможные механизмы взимания платы ограничены рядом требований согласованности, таких как устранение аномалий и ограничения, исходящие из матриц Юкавы .

Мотивация

Наблюдения за гравитационными эффектами, которые нельзя объяснить только видимой материей, предполагают существование материи, которая не связана или очень слабо связана с известными силами природы. Эта темная материя доминирует в плотности материи Вселенной, но ее частицы (если они вообще есть) до сих пор ускользают от прямого и косвенного обнаружения. Учитывая богатую структуру взаимодействия хорошо известных частиц Стандартной модели, которые составляют лишь субдоминантный компонент Вселенной, естественно подумать о аналогичном интерактивном поведении частиц темного сектора. Темные фотоны могут быть частью этих взаимодействий между частицами темной материи и обеспечивать негравитационное окно (так называемый векторный портал) в их существование путем кинематического смешивания с фотоном Стандартной модели. Дополнительная мотивация к поиску темных фотонов исходит от нескольких наблюдаемых в астрофизике аномалий (например, в космических лучах ), которые могут быть связаны с взаимодействием темной материи с темным фотоном. Вероятно, наиболее интересное применение темных фотонов возникает при объяснении несоответствия между измеренным и рассчитанным аномальным магнитным моментом мюона . хотя простейшие реализации этой идеи сейчас противоречат другим экспериментальным данным. Это несоответствие обычно рассматривается как постоянный намек на физику за пределами Стандартной модели , и его следует учитывать с помощью новых общих физических моделей. Помимо влияния на электромагнетизм посредством кинетического смешивания и возможных взаимодействий с частицами темной материи, темные фотоны (если они массивные) также могут сами играть роль кандидатов в темную материю. Теоретически это возможно благодаря механизму смещения .

Теория

Добавление сектора, содержащего темные фотоны, к лагранжиану Стандартной модели можно сделать простым и минимальным способом, введя новое калибровочное поле U(1) . Специфика взаимодействия между этим новым полем, потенциально новым составом частиц (например, фермионом Дирака для темной материи) и частицами Стандартной модели практически ограничивается только творческим подходом теоретика и ограничениями, которые уже наложены на определенные виды. муфт. Вероятно, самая популярная базовая модель включает в себя одну новую нарушенную калибровочную симметрию U (1) и кинетическое смешивание между соответствующим полем темных фотонов. $A^{\prime }$ и поля гиперзаряда Стандартной модели . Оператор в игре $F_{\mu \nu }^{\prime }B^{\mu \nu }$, где $F_{\mu \nu }^{\prime }$ – тензор напряженности поля темных фотонов и $B^{\mu \nu }$обозначает тензор напряженности полей слабых гиперзарядов Стандартной модели. Этот член возникает естественным образом при записи всех членов, допускаемых калибровочной симметрией. После нарушения электрослабой симметрии и диагонализации членов, содержащих тензоры напряженности поля (кинетические члены), путем переопределения полей, соответствующие члены лагранжиана имеют вид

$${\mathcal {L}}\supset -{\frac {1}{4}}F^{\prime \mu \nu }F_{\mu \nu }^{\prime }+{\frac {1}{2}}m_{A^{\prime }}^{2}A^{\prime \mu }A_{\mu }^{\prime }+\epsilon eA^{\prime \mu }J_{\mu }^{EM}$$

где $m_{A^{\prime }}$— масса темного фотона (в данном случае его можно рассматривать как генерируемый механизмом Хиггса или Штюкельберга ), $\epsilon$ – параметр, описывающий кинетическую силу смешивания и $J_{\mu }^{EM}$обозначает электромагнитный ток с его связью $e$. Таким образом, фундаментальными параметрами этой модели являются масса темного фотона и сила кинетического смешивания. Другие модели оставляют новую калибровочную симметрию U(1) ненарушенной, что приводит к безмассовому темному фотону, несущему дальнодействующее взаимодействие. Включение новых фермионов Дирака в качестве частиц темной материи в эту теорию несложно и может быть достигнуто простым добавлением членов Дирака к лагранжиану. Однако безмассовый темный фотон будет полностью отделен от Стандартной модели и сам по себе не будет иметь никаких экспериментальных последствий. Если в модели есть дополнительная частица, которая изначально взаимодействовала с темным фотоном, то она станет миллизарядной частицей , которую можно будет непосредственно искать.

Эксперименты

Прямое преобразование

Ограничения на параметр кинетического смешивания темных фотонов

Массивный кандидат на темные фотоны с кинетической силой смешивания. $\epsilon$ Стандартной модели может спонтанно превратиться в фотон . Резонатор с резонансной частотой, настроенной так, чтобы соответствовать массе кандидата на темный фотон. $hf=m_{A^{\prime }}c^{2}$, можно использовать для захвата полученного фотона.

Одним из методов обнаружения присутствия сигнального фотона в резонаторе является усиление поля резонатора с помощью квантово-ограниченного усилителя. Этот метод распространен при поиске аксионной темной материи . Однако при линейном усилении трудно преодолеть эффективный шум, налагаемый стандартным квантовым пределом , и найти кандидатов на темные фотоны, которые бы создавали среднюю популяцию полости намного меньше 1 фотона.

Подсчитав количество фотонов в полости, можно разрушить квантовый предел. Этот метод был продемонстрирован исследователями Чикагского университета в сотрудничестве с Fermilab . Эксперимент исключил кандидатов на темные фотоны с массой около 24,86 мкэВ и $\epsilon \geq 1.68\times 10^{-15}$ используя сверхпроводящий кубит для многократного измерения одного и того же фотона. Это позволило увеличить скорость поиска более чем на 1000 по сравнению с традиционным методом линейного усиления.

Ускоритель поиска

Для темных фотонов с массой выше МэВ пределы тока определяются экспериментами, основанными на ускорителях частиц . Предполагая, что темные фотоны, образующиеся в результате столкновений, затем распадутся в основном на пары позитрон-электрон , эксперименты ищут избыток пар электрон-позитрон , которые возникнут в результате распада темных фотонов . В среднем экспериментальные результаты теперь показывают, что эта гипотетическая частица должна взаимодействовать с электронами как минимум в тысячу раз слабее, чем стандартный фотон.

Более подробно, для темного фотона, который был бы более массивным, чем протон (то есть с массой больше ГэВ ), лучшие ограничения были бы получены в экспериментах на коллайдере . Хотя в поисках этой частицы было задействовано несколько экспериментальных аппаратов, некоторые примечательные примеры - эксперимент BaBar , или LHCb и эксперименты CMS на БАК . Для темных фотонов промежуточных масс (примерно между массами электрона и протона ) наилучшие ограничения возникают в экспериментах с фиксированной мишенью . Например, эксперимент «Поиск тяжелых фотонов» (HPS). в лаборатории Джефферсона сталкивает электроны с энергией в несколько ГэВ с вольфрамовой мишенью в поисках этой частицы.

См. также

• Темное излучение - постулируемый тип излучения, опосредующий взаимодействие темной материи.
• Двойной фотон - Гипотетическая частица, двойственная фотону.
• Пятая сила – спекулятивная пятая фундаментальная сила.
• Миллизарядные частицы
• Светлая темная материя
• Фотино - Гипотетический суперпартнер фотона.