Μια νέα ανάλυση που διεξήχθη από μια διεθνή ομάδα φυσικών υποδηλώνει ότι τα σκοτεινά φωτόνια - υποθετικά σωματίδια που μεταφέρουν δυνάμεις που σχετίζονται με τη σκοτεινή ύλη - θα μπορούσαν να εξηγήσουν ορισμένα δεδομένα από πειράματα σκέδασης υψηλής ενέργειας. Η ανάλυση, της οποίας ηγήθηκε Νίκολας Χαντ-Σμιθ και συναδέλφους στο Πανεπιστήμιο της Αδελαΐδας, Αυστραλία, θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες γνώσεις για τη φύση της σκοτεινής ύλης, η οποία παραμένει μυστήριο, παρόλο που τα τυπικά μοντέλα κοσμολογίας υποδηλώνουν ότι αποτελεί περίπου το 85% της μάζας του σύμπαντος.

Η σκοτεινή ύλη πήρε το όνομά της επειδή δεν απορροφά, δεν ανακλά ή δεν εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Αυτό καθιστά εξαιρετικά δύσκολη την ανίχνευση στο εργαστήριο, και μέχρι στιγμής όλες οι απόπειρες για να γίνει αυτό έχουν γίνει με άδεια χέρια. «Κανένα σωματίδιο πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο, το οποίο περιγράφει όλη την ύλη με την οποία είμαστε εξοικειωμένοι, δεν έχει δει ποτέ», λέει. Αντώνης Θωμάς, φυσικός στην Αδελαΐδα και συν-συγγραφέας της ανάλυσης, η οποία δημοσιεύεται στο Journal of High Energy Physics. «Δεν έχουμε ιδέα τι είναι η σκοτεινή ύλη, αν και φαίνεται πιθανό να είναι [α] πέρα ​​από το τυπικό σωματίδιο (ή σωματίδια) μοντέλου».

Η υπόθεση του σκοτεινού φωτονίου

Αν και η σκοτεινή ύλη είναι ελάχιστα κατανοητή, είναι εντούτοις η κύρια εξήγηση για το γιατί οι γαλαξίες περιστρέφονται πιο γρήγορα από όσο θα έπρεπε, δεδομένης της ποσότητας ορατής ύλης που περιέχουν. Αλλά αν και μπορούμε να παρατηρήσουμε τη σκοτεινή ύλη να αλληλεπιδρά με το σύμπαν, ο μηχανισμός για αυτές τις αλληλεπιδράσεις είναι ασαφής. Σύμφωνα με Κάρλος Βάγκνερ, σωματιδιακός φυσικός στο Τμήμα Φυσικής Υψηλής Ενέργειας (HEP) του Εθνικού Εργαστηρίου Argonne και καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Σικάγου και την Ινστιτούτο Enrico Fermi, τα σκοτεινά φωτόνια είναι μια πιθανότητα.

«Η ιστορία είναι κάπως έτσι: θα μπορούσε να υπάρξει ένα επιπλέον σκοτεινός τομέας, όπου βρίσκεται η σκοτεινή ύλη, και ότι συνδέεται ασθενώς με τον συνηθισμένο τομέα – σε αυτή την περίπτωση, μέσω της ανάμειξης ενός μποζονίου μετρητή, του σκοτεινού φωτονίου, με τα συνηθισμένα ουδέτερα μποζόνια», λέει ο Wagner, αναφερόμενος στα φωτόνια, W και Z. μποζόνια που φέρουν τις ηλεκτρομαγνητικές και ασθενείς δυνάμεις. «Ένα τέτοιο μποζόνιο μετρητή μπορεί να συζευχθεί με σχετικό τρόπο με τη σκοτεινή ύλη και, γενικά, με έναν υποθετικό σκοτεινό τομέα».

Ένα «προκλητικό» αποτέλεσμα

Στην τελευταία μελέτη, η ομάδα υπό την ηγεσία της Αδελαΐδας, η οποία περιελάμβανε επίσης ερευνητές στο Jefferson Lab στη Βιρτζίνια των ΗΠΑ, πραγματοποίησε ανάλυση παγκόσμιας κβαντικής χρωμοδυναμικής (QCD) δεδομένων σκέδασης υψηλής ενέργειας εντός του πλαισίου Jefferson Lab Angular Momentum (JAM). Οι ερευνητές απέδειξαν ότι όταν προσπαθούν να εξηγήσουν τα αποτελέσματα των πειραμάτων βαθιάς ανελαστικής σκέδασης (DIS), προτιμάται ένα μοντέλο που ενσωματώνει ένα σκοτεινό φωτόνιο έναντι της ανταγωνιστικής υπόθεσης Standard Model με σημασία 6.5 σ.

«[DIS] είναι η διαδικασία όπου ένας ανιχνευτής όπως ένα ηλεκτρόνιο, το μιόνιο ή το νετρίνο διασκορπίζεται από ένα πρωτόνιο με τόσο υψηλή μεταφορά ενέργειας και ορμής (άρα βαθιά) που συνθλίβει το πρωτόνιο σε κομμάτια (άρα ανελαστικό)», εξηγεί ο Thomas. «Αν αθροίσετε όλα τα κομμάτια, μπορείτε να προσδιορίσετε την κατανομή της ορμής των κουάρκ μέσα στο αρχικό πρωτόνιο».

Ο Thomas προσθέτει ότι τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος περιγράφονται με όρους συναρτήσεων κατανομής παρτονίου (PDF), οι οποίες δίνουν την πιθανότητα εύρεσης ενός συγκεκριμένου τύπου κουάρκ με ένα δεδομένο κλάσμα της ορμής του πρωτονίου. «Όλα τα εργαστήρια υψηλής ενέργειας στον κόσμο έχουν παίξει ρόλο στη λήψη των περισσότερων από 3,000 σημείων δεδομένων που έχουμε αυτήν τη στιγμή και τα οποία αναλύθηκαν σε αυτήν την εργασία», λέει. "Η ομάδα Jefferson Lab JAM έχει μακρά ιστορία εξαγωγής PDF από τέτοια δεδομένα."

Τιμ Χομπς, ένας θεωρητικός φυσικός στο Argonne που δεν συμμετείχε σε αυτή τη δουλειά, αλλά έχει συν-συγγράψει στο παρελθόν εργασίες με πολλά μέλη της ομάδας, αποκαλεί τη μελέτη «προκλητική». Σημειώνει ότι η εργασία περιελάμβανε την ταυτόχρονη προσαρμογή δεδομένων σκέδασης πρωτονίων και νετρονίων με ένα σενάριο πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο (BSM), όπως η υπόθεση του σκοτεινού φωτονίου μαζί με τα PDF. Αυτή η προσέγγιση, λέει, «έχει αυξηθεί το ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια».

Πράγματι, ο Hobbs και οι συνεργάτες του εκπόνησαν αυτό που αποκαλεί «μια μελέτη παρόμοιου πνεύματος» τον Μάιο του 2023 που επικεντρώθηκε σε δεδομένα jet και top-quark. «Η βασική ανησυχία [είναι] ότι οι υπογραφές της φυσικής BSM θα μπορούσαν να «τοποθετηθούν» ψευδώς σε παραδοσιακές αναλύσεις PDF που δεν παραμετροποιούν προσεκτικά το BSM ανεξάρτητα», εξηγεί. Αυτή η ανησυχία, προσθέτει, είναι «αρκετά σημαντική ώστε να απαιτούνται περισσότερες παγκόσμιες προσαρμογές αυτού του τύπου. Περιμένω πάρα πολύ πολλές συνεχόμενες μελέτες στο μέλλον».

Ευκαιρίες για περαιτέρω έρευνα

Ενώ είναι ενθουσιώδης για το έργο, ο Hobbs επισημαίνει ένα πρακτικό ζήτημα που είναι κρίσιμο για την ερμηνεία του: την ποσοτικοποίηση της αβεβαιότητας. «Αυτό είναι ένα από τα αναπτυξιακά σύνορα σε αυτόν τον τομέα», λέει. «Πώς ακριβώς καταλήγει κανείς σε μια συνεπή, αναπαραγώγιμη αβεβαιότητα σε μια θεωρητική ανάλυση με ένα περίπλοκο, πολυπαραμετρικό μοντέλο;»

Ο Χομπς προσθέτει ότι η νέα ανάλυση χρησιμοποίησε αυτό που αποκαλεί «έναν πιο επιθετικό ορισμό» της αβεβαιότητας από ό,τι είναι τυπικό. «Αυτό μπορεί να παίξει ρόλο στην ενίσχυση της φαινομενικής σημασίας της υπογραφής του σκοτεινού φωτονίου που εξάγεται από τα δεδομένα DIS, καθώς και του βαθμού συσχέτισης με τα PDF», λέει. Αυτά και άλλα ερωτήματα, καταλήγει, απαιτούν περισσότερη έρευνα και είναι «ενθουσιασμένος που ο Χαντ-Σμιθ et αϊ. έχουν δώσει περαιτέρω κίνητρα προς αυτή την κατεύθυνση».

Ο Wagner, ο οποίος επίσης δεν συμμετείχε στη μελέτη, εκπλήσσεται που η ομάδα περιόρισε την ανάλυσή της στο DIS, καθώς η ύπαρξη σκοτεινών φωτονίων θα επηρέαζε επίσης τα αποτελέσματα πειραμάτων ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων όπως το BABAR και το LEP. «Οι τιμές της [παραμέτρου ανάμειξης] epsilon που αναφέρονται δεν είναι πολύ μικρές και ένα τέτοιο αποτέλεσμα θα πρέπει να είναι ορατό», λέει, σημειώνοντας ότι ένα προηγούμενη ανάλυση δεδομένων BABAR δεν βρήκε τέτοια φαινόμενα που να σχετίζονται με τα σκοτεινά φωτόνια. Οι μελλοντικές μελέτες, προτείνει, θα μπορούσαν να μάθουν περισσότερα αλλάζοντας το μοντέλο για να υποθέσουμε μια ασυμμετρία μεταξύ των συζεύξεων σωματιδίων, πράγμα που θα σήμαινε ότι δεν διέπονται όλοι αυτοί οι σύνδεσμοι από την ίδια παράμετρο ανάμειξης.

Το FASER αναζητά σκοτεινά φωτόνια στον LHC και επίσης βρίσκει νετρίνα

Ο Thomas συμφωνεί ότι χρειάζεται περισσότερη δουλειά. «Καθώς το αποτέλεσμά μας δίνει εξαιρετικά ισχυρές αλλά έμμεσες αποδείξεις για την ύπαρξη αυτού του σωματιδίου, θα ήταν υπέροχο να επιβεβαιωθεί σε άλλες αναλύσεις», λέει. Μια πιθανή μελλοντική κατεύθυνση, προσθέτει, θα ήταν η μελέτη των αποτελεσμάτων χρησιμοποιώντας πιο εξελιγμένες εκδόσεις του QCD, αν και προσθέτει ότι «τα στοιχεία σε άμεσα πειράματα ή άλλες αντιδράσεις θα ήταν ιδανικά. Έχουμε μια πολύ ισχυρή υπόδειξη και θα θέλαμε να δούμε ανεξάρτητη επιβεβαίωση».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/dark-photons-could-explain-high-energy-scattering-data/