Темні фотони можуть пояснити одну з найбільших таємниць Всесвіту

Тіньова форма світла у всесвіті гіпотетичних частинок серйозно розглядається як засіб виявлення ідентичності темної матерії.

Згідно з новим всебічним аналізом в рамках квантової хромодинаміки, темний фотон набагато краще відповідає спостережуваним результатам експериментів на колайдері, ніж стандартна модель фізики елементарних частинок, причому з досить великим відривом.

Насправді, команда дослідників на чолі з фізиком Ніколасом Хантом-Смітом з Центру передового досвіду з фізики частинок темної матерії ARC та Університету Аделаїди в Австралії розрахувала довірчий рівень 6,5 сигма, що свідчить про те, що ймовірність того, що темні фотони не пояснюють спостережень, становить приблизно один до мільярда.

“Існування темної матерії було твердо встановлено на основі її гравітаційних взаємодій, проте її точна природа продовжує вислизати від нас, незважаючи на всі зусилля фізиків з усього світу”, – говорить Ентоні Томас, фізик з Університету Аделаїди.

“Ключ до розуміння цієї таємниці може лежати в темному фотоні – теоретичній масивній частинці, яка може слугувати порталом між темним сектором частинок і звичайною матерією”.

Темна матерія – одна з найбільших загадок Всесвіту. Ми не знаємо, що це таке, але там є щось, що має гравітаційний вплив на звичайну матерію.

Галактики обертаються швидше, ніж мали б, якби вони були наповнені звичайними частинками. Шлях світла огинає масивні об’єкти виразніше, ніж мав би, просто через гравітацію, яку створює звичайна матерія.

Існує багато кандидатів на роль темної матерії, але ми ще не ідентифікували її. І стандартна модель тут не допоможе. Вона чудово підходить для фізики частинок нормальної матерії, але поки що не може пояснити темну матерію.

Одна з можливостей полягає в тому, що гіпотетичні темні фотони якось до цього причетні. Так само, як звичайні фотони є носіями сили для електромагнетизму – світла – темні фотони можуть бути пов’язані з темною матерією.

Хант-Сміт та його колеги з Університету Аделаїди та Лабораторії Джефферсона в США досліджували продукти зіткнень частинок, щоб знайти докази існування цих невловимих частинок.

“У нашому останньому дослідженні, – каже Томас, – ми вивчаємо потенційні ефекти, які темний фотон може мати на повний набір експериментальних результатів процесу глибокого непружного розсіювання”.

Глибоке непружне розсіювання – це специфічний спосіб розсіювання частинок після високоенергетичного зіткнення. Використовуючи дані з кількох колайдерів частинок, дослідники вивчили можливість того, що темні фотони відіграють тонку роль у тому, як частинки розходяться після зіткнення.

Вони також врахували особливий недолік стандартної моделі – мюонну магнітну аномалію. Вимірювання того, як мюон коливається в сильному магнітному полі, розходяться з передбаченнями стандартної моделі на 3-4 стандартних відхилення, натякаючи на активність сил, які ще належить вивчити.

Вони виявили, що введення можливості темного фотона не тільки збільшує перевагу темного фотона як кандидата, але й значно зменшує мюонну магнітну аномалію.

“Ми використали найсучаснішу систему глобального аналізу функції розподілу партонів за кутовим моментом (JAM) Лабораторії Джефферсона, модифікувавши основну теорію, щоб врахувати можливість існування темного фотона”, – каже Томас.

“Наша робота показує, що гіпотеза темного фотона є кращою за гіпотезу стандартної моделі на рівні значущості 6,5 сигма, що є доказом відкриття частинки”.

Хоча залишається ще багато роботи, перш ніж ми зможемо стверджувати, що темні фотони існують, дослідники сподіваються, що їхні висновки переконають інших дослідників аномалій перевірити свої суми на наявність променів світла, що виходять за межі Стандартної моделі.

Дослідження опубліковане в Journal of High Energy Physics.