Темный фотон - Dark photon - Wikipedia

В темный фотон (также скрытый, тяжелый, пара-, или же уединенный фотон) является гипотетическим скрытый сектор частица, предложенный как носитель силы аналогично фотон из электромагнетизм но потенциально связан с темная материя.^[1] В минимальном сценарии эту новую силу можно ввести, расширив калибровочную группу Стандартная модель физики элементарных частиц с новым абелевский U (1) калибровочная симметрия. Соответствующий новый спин-1 калибровочный бозон (т.е., темный фотон) может затем очень слабо связываться с электрически заряженными частицами за счет кинетического смешивания с обычным фотоном^[2] и таким образом может быть обнаружен. Темный фотон также может взаимодействовать со Стандартной моделью, если некоторые фермионы заряжены в новой абелевой группе. ^[3] Возможные схемы оплаты ограничены рядом требований согласованности, таких как отмена аномалии и ограничения, исходящие от Матрицы Юкавы.

Мотивация

Наблюдения за гравитационными эффектами, которые нельзя объяснить видимая материя одни только подразумевают существование материи, которая не связана или очень слабо связана с известными силами Природы. Эта темная материя доминирует над плотностью материи Вселенной, но ее частицы (если таковые имеются) до сих пор ускользают от прямого и косвенного обнаружения. Учитывая богатую структуру взаимодействия хорошо известных частиц Стандартной модели, которые составляют лишь субдоминирующий компонент Вселенной, естественно думать о подобном взаимодействующем 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.^[1][4] Дальнейшая мотивация для поиска темных фотонов исходит из нескольких наблюдаемых аномалий в астрофизике (например, в космические лучи ), что может быть связано с взаимодействием темной материи с темным фотоном.^[5][6] Возможно, наиболее интересное применение темных фотонов возникает при объяснении расхождения между измеренными и рассчитанными значениями. аномальный магнитный момент мюона.^[7][8][9] Это несоответствие обычно рассматривается как постоянный намек на физика за пределами Стандартной модели и должны учитываться новая физика модели. Помимо влияния на электромагнетизм посредством кинетического перемешивания и возможных взаимодействий с частицами темной материи, темные фотоны (если они массивные) также могут сами играть роль кандидатов на темную материю. Теоретически это возможно благодаря механизм перекоса.^[10]

Теория

Добавление сектора, содержащего темные фотоны, к Лагранжиан Стандартной модели можно сделать простым и минимальным способом, введя новый U (1) калибровочное поле.^[2] Специфика взаимодействия этого нового поля с потенциальным содержанием новых частиц (например, а Фермион Дирака для темной материи) и частицы Стандартной модели фактически ограничены только творчеством теоретика и ограничениями, которые уже были наложены на определенные виды связей. Возможно, самая популярная базовая модель включает в себя единственную новую нарушенную калибровочную симметрию U (1) и кинетическое перемешивание между соответствующим полем темных фотонов. ${\displaystyle A^{\prime }}$ и Поля гиперзаряда Стандартной модели. Действующий оператор ${\displaystyle F_{\mu \nu }^{\prime }B^{\mu \nu }}$, куда ${\displaystyle F_{\mu \nu }^{\prime }}$ это тензор напряженности поля поля темных фотонов и ${\displaystyle B^{\mu \nu }}$обозначает тензор напряженности поля слабых гиперзарядных полей Стандартной модели. Этот термин естественным образом возникает при записи всех членов, допускаемых калибровочной симметрией. После нарушение электрослабой симметрии и диагонализуя члены, содержащие тензоры напряженности поля (кинетические члены), путем переопределения полей, соответствующие члены в лагранжиане следующие:

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

куда ${\displaystyle m_{A^{\prime }}}$- масса темного фотона (в данном случае его можно рассматривать как генерируемый Хиггс или же Механизм Штюкельберга ), ${\displaystyle \epsilon }$ - параметр, описывающий кинетическую силу перемешивания, а ${\displaystyle J_{\mu }^{EM}}$обозначает электромагнитный ток со связью ${\displaystyle e}$. Таким образом, основными параметрами этой модели являются масса темного фотона и сила кинетического перемешивания. Другие модели оставляют новую калибровочную симметрию U (1) ненарушенной, в результате чего безмассовый темный фотон несет дальнодействующее взаимодействие.^[11][12] Однако безмассовый темный фотон экспериментально будет трудно отличить от фотона Стандартной модели. Включение новых фермионов Дирака в качестве частиц темной материи в эту теорию несложно и может быть достигнуто простым добавлением Условия Дирака в лагранжиан.^[13]

Смотрите также

• Темное излучение - Постулируемый тип излучения, который опосредует взаимодействия темной материи
• Пятая сила - Спекулятивная пятая фундаментальная сила
• Двойной фотон - Гипотетическая элементарная частица, двойственная фотону в соответствии с электромагнитно-магнитным дуализмом.
• Фотино - Гипотетический суперпартнер фотона

Рекомендации

1. Essig, R .; Jaros, J. A .; Wester, W .; Адриан, П. Ханссон; Андреас, С .; Averett, T .; Baker, O .; Batell, B .; Баттаглиери, М. (31 октября 2013 г.). «Темные сектора и новые, светлые, слабосвязанные частицы». arXiv:1311.0029 [геп-ph ].
2. Холдом, Боб (1986-01-09). «Два заряда U (1) и». Письма по физике B. 166 (2): 196–198. Bibcode:1986ФЛБ..166..196Х. Дои:10.1016/0370-2693(86)91377-8. ISSN  0370-2693.
3. Галисон, Питер; Манохар, Аниш (1984-03-08). «Два Z или не два Z?». Письма по физике B. 136 (4): 279–283. Bibcode:1984ФЛБ..136..279Г. Дои:10.1016/0370-2693(84)91161-4. ISSN  0370-2693.
4. Баттальери, Марко; Беллони, Альберто; Чжоу, Аарон; Кушман, Присцилла; Эшенар, Бертран; Эссиг, Рувен; Эстрада, Хуан; Feng, Jonathan L .; Флаугер, Бренна (2017-07-14). «Космические видения США: новые идеи в темной материи 2017: отчет сообщества». arXiv:1707.04591 [геп-ph ].
5. Поспелов, Максим; Ритц, Адам (январь 2009 г.). «Астрофизические подписи уединенной темной материи». Письма по физике B. 671 (3): 391–397. arXiv:0810.1502. Bibcode:2009ФЛБ..671..391П. Дои:10.1016 / j.physletb.2008.12.012.
6. Аркани-Хамед, Нима; Финкбайнер, Дуглас П .; Slatyer, Tracy R .; Вайнер, Нил (27 января 2009 г.). «Теория темной материи». Физический обзор D. 79 (1): 015014. arXiv:0810.0713. Bibcode:2009ПхРвД..79а5014А. Дои:10.1103 / PhysRevD.79.015014. ISSN  1550-7998.
7. Поспелов, Максим (02.11.2009). «Уединенный U (1) ниже слабой шкалы». Физический обзор D. 80 (9): 095002. arXiv:0811.1030. Bibcode:2009ПхРвД..80и5002П. Дои:10.1103 / PhysRevD.80.095002. ISSN  1550-7998.
8. Эндо, Мотои; Хамагучи, Коичи; Мисима, Го (27.11.2012). "Ограничения на модели скрытых фотонов из электронной g-2 и водородной спектроскопии". Физический обзор D. 86 (9): 095029. arXiv:1209.2558. Bibcode:2012PhRvD..86i5029E. Дои:10.1103 / PhysRevD.86.095029. ISSN  1550-7998.
9. Giusti, D .; Любич, В .; Martinelli, G .; Sanfilippo, F .; Симула, С. (октябрь 2017 г.). «Странные и очаровательные вклады HVP в мюон ($ g - 2) $, включая поправки КЭД с фермионами с закрученной массой». Журнал физики высоких энергий. 2017 (10): 157. arXiv:1707.03019. Bibcode:2017JHEP ... 10..157G. Дои:10.1007 / JHEP10 (2017) 157. ISSN  1029-8479.
10. Ариас, Паола; Кадамуро, Давиде; Гудселл, Марк; Jaeckel, Joerg; Редондо, Хавьер; Рингуолд, Андреас (2012-06-08). "Тонкая холодная темная материя". Журнал космологии и физики астрономических частиц. 2012 (6): 013. arXiv:1201.5902. Bibcode:2012JCAP ... 06..013A. Дои:10.1088/1475-7516/2012/06/013. ISSN  1475-7516.
11. Акерман, Лотти; Бакли, Мэтью Р .; Кэрролл, Шон М .; Kamionkowski, Марк (2009-01-23). «Темная материя и темное излучение». Физический обзор D. 79 (2): 023519. arXiv:0810.5126. Bibcode:2009ПхРвД..79b3519A. Дои:10.1103 / PhysRevD.79.023519. ISSN  1550-7998.
12. Фут, Роберт; Вагноцци, Санни (2014). «Диссипативная тёмная материя в скрытом секторе». Физический обзор D. 91 (2): 023512. arXiv:1409.7174. Bibcode:2015ПхРвД..91б3512Ф. Дои:10.1103 / PhysRevD.91.023512.
13. Илтен, Филипп; Сорек, Йотам; Уильямс, Майк; Сюэ, Вэй (2018-01-15). «Интуиция в поисках темных фотонов». Журнал физики высоких энергий. 2018 (6): 4. arXiv:1801.04847. Bibcode:2018JHEP ... 06..004I. Дои:10.1007 / JHEP06 (2018) 004.