Если темная материя существует, то где же частицы?
Этот единственный вопрос угрожает опрокинуть стандартную космологическую модель, известную как модель LCDM. CDM означает холодную темную материю и, согласно модели, составляет почти 85% материи во Вселенной. Оно должно быть повсюду и вокруг нас, но все поиски частиц темной материи оказались тщетными. Если частицы темной материи реальны, мы знаем, чем они не являются. Мы не знаем, что они собой представляют.
Существует множество идей, от вимпов до аксионов и стерильных нейтрино, и ни одна из них не обнаружилась в наших детекторах. Но одна из проблем может заключаться в том, что, хотя частицы темной материи есть повсюду, их масса намного превышает ту, которую мы можем обнаружить в наших ускорителях частиц и нейтринных обсерваториях. Если это так, мы никогда не сможем наблюдать их напрямую. Но мы могли бы обнаружить силу, которая позволяет им взаимодействовать.
В физике элементарных частиц каждая фундаментальная сила имеет один или несколько бозонов-носителей. У электромагнетизма есть фотон, у сильного взаимодействия — глюоны, у слабого взаимодействия — W и Z-бозоны, у гравитационного взаимодействия — гравитон. Темная материя взаимодействует гравитационно, но она также может взаимодействовать через темную силу, которая должна иметь бозон-носитель, известный как темный фотон.
Темные фотоны возникают в результате обобщения стандартной модели физики элементарных частиц. Согласно теории, они будут взаимодействовать с темной материей подобно тому, как фотоны взаимодействуют с заряженными частицами. Но так же, как слабое взаимодействие и электромагнетизм связаны как электрослабое взаимодействие, эта темная сила и электромагнетизм будут связаны как своего рода электротемная сила. Это означает, что обычные фотоны и темные фотоны могут слегка смешиваться, позволяя темной материи очень незначительно взаимодействовать с обычной материей. Хотя фотоны не имеют массы, темные фотоны будут иметь массу. Это означает, что они будут взаимодействовать только на очень коротких расстояниях и могут быстро распасться на другие частицы. Подобно глюонам сильного взаимодействия, мы не можем наблюдать их напрямую, но мы можем наблюдать, как они заставляют частицы взаимодействовать. Именно здесь появляется новое исследование темных фотонов.
Авторы анализируют модель темных фотонов двумя способами. Первый — использовать экспериментальные данные для ограничения физических параметров темных фотонов, таких как их масса и то, насколько сильно они смешиваются с обычными фотонами. Во-вторых, сравнить модель физики элементарных частиц с темными фотонами и без них с ключевыми экспериментальными результатами. В целом исследование показывает, что модель темных фотонов лучше подходит, чем стандартная модель, но особенно хорошо она подходит для эксперимента, известного как аномальный магнитный момент глюона, или g-2.
Мюон — более тяжелый брат электрона, и, как и электрон, он имеет электрический заряд и магнитный момент, или g-фактор. Значение мюонного g-фактора почти, но не точно, равно 2. «Не совсем» часть, g – 2, является одной из наиболее точно измеряемых величин в физике элементарных частиц. Это также одно из наиболее точно рассчитанных значений в теории частиц. И они не согласны.
Экспериментально g-2 = 0,0023318.4121. Теоретические расчеты положили g-2 = 0,0023318.3620. Это известно как аномалия g-2 и очень утомительно. Если вы учтете взаимодействие темных фотонов, теоретический результат станет g-2 = 0,0023318.3939, что значительно лучше. В целом модель темных фотонов предпочтительнее стандартной модели с сигмой 6,5, что является очень хорошим результатом.
Все это очень интересно, но следует добавить несколько предостережений. Во-первых, хотя эта работа показывает, что темные фотоны хорошо подходят для экспериментальных данных, то же самое можно сказать и о других обобщениях стандартной модели. Во-вторых, это не доказывает реальность темных фотонов, а лишь то, что их возможность не исключена. Тем не менее, темные фотоны определенно заслуживают дальнейшего изучения.
Ссылка: Хант-Смит, Северная Каролина и др. «Глобальный анализ КХД и темные фотоны». Журнал физики высоких энергий 96 (2023)
