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Materia del espejo

En física , la materia espejo , también llamada materia sombra o materia Alice , es una contraparte hipotética de la materia ordinaria. [1]

Descripción general

La física moderna se ocupa de tres tipos básicos de simetría espacial : reflexión , rotación y traslación . Las partículas elementales conocidas respetan la simetría de rotación y traslación, pero no la simetría de reflexión especular (también llamada simetría P o paridad). De las cuatro interacciones fundamentales ( electromagnetismo , interacción fuerte , interacción débil y gravedad ), solo la interacción débil rompe la paridad.

La violación de la paridad en interacciones débiles fue postulada por primera vez por Tsung Dao Lee y Chen Ning Yang [2] en 1956 como una solución al rompecabezas τ-θ . En consulta con el físico experimental Chien-Shiung Wu se propusieron varias posibilidades para probar si la interacción débil era de hecho invariante bajo paridad. Una de las sugerencias del grupo involucraba monitorear la desintegración del cobalto-60 .

para determinar si los electrones que emitía se irradiaban de forma isotrópica, como los dos rayos gamma. Wu realizó este experimento en la Oficina Nacional de Normas de Washington, DC, después de nueve meses de trabajo. Contrariamente a la mayoría de las expectativas, en diciembre de 1956 ella y su equipo observaron una radiación electrónica anisotrópica, lo que demostró que las interacciones débiles de las partículas conocidas violan la paridad. [3] [4] [5] [6] [7] [8]

Sin embargo, la simetría de paridad puede restaurarse como una simetría fundamental de la naturaleza si el contenido de partículas se amplía de modo que cada partícula tenga una compañera especular. La teoría en su forma moderna fue descrita en 1991, [9] aunque la idea básica data de antes. [2] [10] [11] Las partículas especulares interactúan entre sí de la misma manera que las partículas ordinarias, excepto que donde las partículas ordinarias tienen interacciones levógiras, las partículas especulares tienen interacciones diestras. De esta manera, resulta que la simetría de reflexión especular puede existir como una simetría exacta de la naturaleza, siempre que exista una partícula "espejo" para cada partícula ordinaria. La paridad también puede romperse espontáneamente dependiendo del potencial de Higgs . [12] [13] Mientras que en el caso de la simetría de paridad ininterrumpida las masas de las partículas son las mismas que las de sus compañeras especulares, en el caso de la simetría de paridad rota las compañeras especulares son más ligeras o más pesadas.

La materia espejo, si existe, interactuaría débilmente con la materia ordinaria. Esto se debe a que las fuerzas entre las partículas espejo están mediadas por bosones espejo . Con la excepción del gravitón , ninguno de los bosones conocidos puede ser idéntico a sus compañeros espejo. La única forma en que la materia espejo puede interactuar con la materia ordinaria a través de fuerzas distintas a la gravedad es mediante la mezcla cinética de bosones espejo con bosones ordinarios. Estas interacciones solo pueden ser muy débiles. Por lo tanto, se han sugerido partículas espejo como candidatas para la materia oscura inferida en el universo. [14] [15] [16] [17] [18]

En otro contexto, [19] se ha propuesto que la materia espejo da lugar a un mecanismo de Higgs eficaz responsable de la ruptura de la simetría electrodébil . En tal escenario, los fermiones espejo adquieren masas del orden de 1 TeV ya que interactúan con una interacción de calibre adicional no solo volviéndose fuertes alrededor de la escala de energía característica de las interacciones electrodébiles sino que también se unifican teóricamente con las interacciones del Modelo Estándar bajo una simetría de calibre mayor cerca de la escala de energía de Planck. Para enfatizar la distinción de este modelo de los anteriores, [14] [15] [16] [17] [18] estas partículas espejo suelen denominarse katoptrones [19] [20] [21] dentro del contexto del modelo Katoptron y se espera que se desintegren en partículas del Modelo Estándar poco después de su creación.

Efectos observacionales

Abundancia

La materia especular podría haberse diluido hasta alcanzar densidades inobservablemente bajas durante la época de inflación . Sheldon Glashow ha demostrado que si a una escala de energía elevada existen partículas que interactúan fuertemente con partículas ordinarias y especulares, las correcciones radiativas conducirán a una mezcla entre fotones y fotones especulares. [22] Esta mezcla tiene el efecto de dar a las cargas eléctricas especulares una carga eléctrica ordinaria muy pequeña. Otro efecto de la mezcla fotón-fotón especular es que induce oscilaciones entre positronio y positronio especular. El positronio podría entonces convertirse en positronio especular y luego desintegrarse en fotones especulares.

La mezcla entre fotones y fotones especulares podría estar presente en diagramas de Feynman de nivel de árbol o surgir como consecuencia de correcciones cuánticas debido a la presencia de partículas que llevan cargas ordinarias y especulares. En el último caso, las correcciones cuánticas tienen que desaparecer en los diagramas de Feynman de nivel de uno y dos bucles, de lo contrario el valor predicho del parámetro de mezcla cinética sería mayor que el permitido experimentalmente. [22]

En noviembre de 2003 se estaba planeando un experimento para medir este efecto. [23]

Materia oscura

Si la materia espejo existe en grandes cantidades en el universo y si interactúa con la materia ordinaria a través de la mezcla fotón-fotón espejo, entonces esto podría detectarse en experimentos de detección directa de materia oscura como DAMA/NaI y su sucesor DAMA/LIBRA . De hecho, es uno de los pocos candidatos de materia oscura que puede explicar la señal positiva de materia oscura de DAMA/NaI y al mismo tiempo ser consistente con los resultados nulos de otros experimentos de materia oscura. [24] [25]

Efectos electromagnéticos

La materia espejo también podría detectarse en experimentos de penetración de campos electromagnéticos [26] y esto también tendría consecuencias para la ciencia planetaria [27] [28] y la astrofísica. [29]

Rompecabezas GZK

La materia especular también podría ser responsable del enigma GZK [ ancla rota ] . Los defectos topológicos en el sector especular podrían producir neutrinos especulares que pueden oscilar hasta convertirse en neutrinos ordinarios. [30] Otra forma posible de evadir el límite GZK es a través de oscilaciones neutrón-neutrón especular. [31] [32] [33] [34]

Efectos gravitacionales

Si la materia espejo está presente en el universo en abundancia suficiente, entonces se pueden detectar sus efectos gravitacionales. Debido a que la materia espejo es análoga a la materia ordinaria, se espera que una fracción de la materia espejo exista en forma de galaxias espejo, estrellas espejo, planetas espejo, etc. Estos objetos se pueden detectar utilizando microlente gravitacional . [35] También se esperaría que una fracción de estrellas tengan objetos espejo como compañeros. En tales casos, se debería poder detectar desplazamientos Doppler periódicos en el espectro de la estrella. [17] Hay algunos indicios de que tales efectos ya pueden haberse observado. [36]

Oscilaciones de neutrón a neutrón espejo

Los neutrones, que son partículas eléctricamente neutras de materia ordinaria, podrían oscilar en su compañero espejo, el neutrón espejo. [37] Experimentos recientes buscaron neutrones que desaparecieran en el mundo espejo. La mayoría de los experimentos no encontraron señales y, por lo tanto, dieron límites a las tasas de transición al estado espejo, [38] [39] [40] [41] un artículo afirmó señales. [42] La investigación actual busca señales donde un campo magnético aplicado ajusta el nivel de energía del neutrón al mundo espejo. [43] [44] Esta diferencia de energía puede interpretarse debido a un campo magnético espejo presente en el mundo espejo o una diferencia de masa del neutrón y su compañero espejo. [45] Tal transición al mundo espejo también podría resolver el rompecabezas de la vida útil del neutrón. [46]

Se están realizando experimentos en busca de la oscilación de neutrones espejo en la fuente UCN del Instituto Paul Scherrer [45] en Suiza, el Instituto Laue-Langevin en Francia y a través de la fuente de neutrones por espalación en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en los EE. UU. [44] [47].

Véase también

Referencias

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