El fotón oscuro (también fotón oculto , pesado , para- o aislado ) es una partícula hipotética del sector oculto , propuesta como un portador de fuerza similar al fotón del electromagnetismo pero potencialmente conectado a la materia oscura . [1] En un escenario mínimo, esta nueva fuerza se puede introducir extendiendo el grupo de calibración del Modelo Estándar de Física de Partículas con una nueva simetría de calibración abeliana U(1) . El nuevo bosón de calibración de espín 1 correspondiente (es decir, el fotón oscuro) puede entonces acoplarse muy débilmente a partículas cargadas eléctricamente a través de la mezcla cinética con el fotón ordinario [2] y, por lo tanto, podría detectarse. El fotón oscuro también puede interactuar con el Modelo Estándar si algunos de los fermiones están cargados bajo el nuevo grupo abeliano. [3] Las posibles disposiciones de carga están restringidas por una serie de requisitos de consistencia, como la cancelación de anomalías y las restricciones que provienen de las matrices de Yukawa .
Las observaciones de efectos gravitacionales que no pueden explicarse únicamente por la materia visible implican la existencia de materia que no se acopla o lo hace muy débilmente a las fuerzas conocidas de la naturaleza. Esta materia oscura domina la densidad de materia del universo, pero sus partículas (si las hay) han eludido la detección directa e indirecta hasta ahora. Dada la rica estructura de interacción de las partículas bien conocidas del Modelo Estándar, que constituyen solo el componente subdominante del universo, es natural pensar en un comportamiento interactivo similar de las partículas del sector oscuro. Los fotones oscuros podrían ser parte de estas interacciones entre partículas de materia oscura y proporcionar una ventana no gravitacional (un llamado portal vectorial) hacia su existencia al mezclarse cinemáticamente con el fotón del Modelo Estándar. [1] [4] Otra motivación para la búsqueda de fotones oscuros proviene de varias anomalías observadas en astrofísica (por ejemplo, en los rayos cósmicos ) que podrían estar relacionadas con la materia oscura interactuando con un fotón oscuro. [5] [6] Podría decirse que la aplicación más interesante de los fotones oscuros surge en la explicación de la discrepancia entre el momento magnético anómalo medido y calculado del muón , [7] [8] [9] aunque las realizaciones más simples de esta idea ahora están en conflicto con otros datos experimentales. [10] Esta discrepancia suele considerarse como una pista persistente para la física más allá del Modelo Estándar y debería tenerse en cuenta en los nuevos modelos generales de física. Además del efecto sobre el electromagnetismo a través de la mezcla cinética y las posibles interacciones con partículas de materia oscura, los fotones oscuros (si son masivos) también pueden desempeñar el papel de un candidato a materia oscura por sí mismos. Esto es teóricamente posible a través del mecanismo de desalineación . [11]
Añadir un sector que contenga fotones oscuros al Lagrangiano del Modelo Estándar se puede hacer de una manera sencilla y mínima introduciendo un nuevo campo de calibre U(1) . [2] Los detalles de la interacción entre este nuevo campo, el posible nuevo contenido de partículas (por ejemplo, un fermión de Dirac para la materia oscura) y las partículas del Modelo Estándar están virtualmente limitados solo por la creatividad del teórico y las restricciones que ya se han impuesto a ciertos tipos de acoplamientos. El modelo básico posiblemente más popular implica una única nueva simetría de calibre U(1) rota y una mezcla cinética entre el campo de fotones oscuros correspondiente y los campos de hipercarga del Modelo Estándar . El operador en juego es , donde es el tensor de intensidad de campo del campo de fotones oscuros y denota el tensor de intensidad de campo de los campos de hipercarga débiles del Modelo Estándar. Este término surge naturalmente al escribir todos los términos permitidos por la simetría de calibre. Después de romper la simetría electrodébil y diagonalizar los términos que contienen los tensores de intensidad de campo (términos cinéticos) mediante la redefinición de los campos, los términos relevantes en el Lagrangiano son
donde es la masa del fotón oscuro (en este caso se puede pensar que es generado por el mecanismo de Higgs o Stueckelberg ), es el parámetro que describe la fuerza de la mezcla cinética y denota la corriente electromagnética con su acoplamiento . Los parámetros fundamentales de este modelo son, por tanto, la masa del fotón oscuro y la fuerza de la mezcla cinética. Otros modelos dejan intacta la nueva simetría de calibre U(1), lo que da como resultado un fotón oscuro sin masa que lleva a cabo una interacción de largo alcance. [12] [13] La incorporación de nuevos fermiones de Dirac como partículas de materia oscura en esta teoría no es complicada y se puede lograr simplemente añadiendo los términos de Dirac al lagrangiano. [14] Sin embargo, un fotón oscuro sin masa estará completamente desacoplado del Modelo Estándar y no tendrá ninguna consecuencia experimental por sí mismo. [15] Si hay una partícula adicional en el modelo que originalmente estaba interactuando con el fotón oscuro, se convertirá en una partícula milicargada que podría buscarse directamente. [16] [17]
Un fotón oscuro candidato masivo con fuerza de mezcla cinética podría convertirse espontáneamente en un fotón del Modelo Estándar . Se puede utilizar una cavidad, con una frecuencia de resonancia ajustada para que coincida con la masa de un fotón oscuro candidato , para capturar el fotón resultante.
Una técnica para detectar la presencia de un fotón señal en la cavidad es amplificar el campo de la cavidad con un amplificador cuántico limitado. Este método es frecuente en la búsqueda de materia oscura axónica . Sin embargo, con la amplificación lineal es difícil superar el ruido efectivo impuesto por el límite cuántico estándar y buscar candidatos a fotones oscuros que produzcan una población media de cavidades mucho menor que 1 fotón.
Al contar el número de fotones en la cavidad, es posible subvertir el límite cuántico. Esta técnica ha sido demostrada por investigadores de la Universidad de Chicago en colaboración con Fermilab . [18] El experimento ha excluido candidatos a fotones oscuros con masa centrada alrededor de 24,86 μeV y ha utilizado un qubit superconductor para medir repetidamente el mismo fotón. Esto ha permitido una velocidad de búsqueda de más de 1000 en comparación con la técnica de amplificación lineal convencional.
Para una masa de fotón oscuro superior a MeV , los límites actuales están dominados por experimentos basados en aceleradores de partículas . Suponiendo que los fotones oscuros producidos en las colisiones se desintegrarían principalmente en pares positrón-electrón , los experimentos buscan un exceso de pares electrón-positrón que se originarían a partir de la desintegración del fotón oscuro . En promedio, los resultados experimentales indican ahora que esta partícula hipotética debe interactuar con los electrones al menos mil veces más débilmente que el fotón estándar.
En más detalles, para un fotón oscuro que sería más masivo que un protón (por lo tanto con una masa mayor que un GeV ), los mejores límites surgirían de experimentos de colisionador . Si bien se han aprovechado varios aparatos experimentales en la búsqueda de esta partícula, [19] algunos ejemplos notables son el experimento BaBar , [10] o los experimentos LHCb [20] y CMS en el LHC . Para fotones oscuros de masas intermedias (aproximadamente entre las masas del electrón y el protón ), las mejores restricciones surgen de experimentos de objetivo fijo . Como ejemplo, el experimento de búsqueda de fotones pesados (HPS) [21] en el Laboratorio Jefferson colisiona electrones de múltiples GeV con una lámina de objetivo de tungsteno en la búsqueda de esta partícula.
