O fóton escuro (também fóton oculto, pesado, para- ou fóton isolado) é uma partícula hipotética de setor oculto proposta como um portador de força semelhante ao fóton do eletromagnetismo, mas potencialmente conectada à matéria escura. Num cenário mínimo, esta nova força pode ser introduzida ao estender o grupo de gauge do Modelo Padrão da Física de Partículas com uma nova U(1), simetria de gauge abeliana. O novo bóson de gauge de spin-1 correspondente (ou seja, o fóton escuro) pode então se acoplar muito fracamente a partículas eletricamente carregadas através da mistura cinética com o fóton comum e, portanto, pode ser detectado. O fóton escuro também pode interagir com o Modelo Padrão se alguns dos férmions tiverem carga sob o novo grupo abeliano. Os possíveis arranjos de carga são restringidos por uma série de requisitos de consistência, como o cancelamento de anomalias e as restrições das matrizes de Yukawa.
Motivação Observações de efeitos gravitacionais que não podem ser explicados apenas pela matéria visível implicam a existência de matéria que não se acopla, ou se acopla muito fracamente, às forças conhecidas da natureza. Essa matéria escura domina a densidade de matéria do universo, mas suas partículas (se é que existem) têm escapado até agora da detecção direta e indireta. Dada a rica estrutura de interação das conhecidas partículas do Modelo Padrão, que constituem apenas o componente subdominante do universo, é natural pensar em um comportamento interativo semelhante para as partículas do setor escuro. Os fótons escuros poderiam fazer parte dessas interações entre as partículas de matéria escura e fornecer uma janela não gravitacional (o chamado portal vetorial) para sua existência, misturando-se cinematicamente com o fóton do Modelo Padrão. Uma motivação adicional para a busca por fótons escuros vem de várias anomalias observadas em astrofísica (por exemplo, em raios cósmicos) que podem estar relacionadas à interação da matéria escura com um fóton escuro. Sem dúvida, a aplicação mais interessante dos fótons escuros surge na explicação da discrepância entre o momento magnético anômalo do múon medido e o calculado, embora as realizações mais simples dessa ideia estejam agora em conflito com outros dados experimentais. Essa discrepância é geralmente considerada uma dica persistente de física além do modelo padrão e deve ser explicada por modelos gerais de nova física. Além do efeito no eletromagnetismo via mistura cinética e possíveis interações com partículas de matéria escura, os fótons escuros (se massivos) também podem desempenhar o papel de candidato à própria matéria escura. Isso é teoricamente possível através do mecanismo de desalinhamento.
Teoria Adicionar um setor contendo fótons escuros ao Lagrangiano do Modelo Padrão pode ser feito de forma direta e minimalista, introduzindo um novo campo de gauge U(1). As especificidades da interação entre este novo campo, o potencial novo conteúdo de partículas (por exemplo, um férmion de Dirac para a matéria escura) e as partículas do Modelo Padrão são virtualmente limitadas apenas pela criatividade do teórico e pelas restrições que já foram impostas sobre certos tipos de acoplamentos. O modelo básico mais popular envolve uma única nova simetria de gauge U(1) quebrada e uma mistura cinética entre o campo de fóton escuro correspondente
A
′
{\displaystyle A^{\prime }}
e os campos de hipercarga do Modelo Padrão. O operador em questão é
F
μ ν
′
B
μ ν
{\displaystyle F_{\mu \nu }^{\prime }B^{\mu \nu }}
, onde
F
μ ν
′
{\displaystyle F_{\mu \nu }^{\prime }}
é o tensor de intensidade de campo do campo de fóton escuro e
B
μ ν
{\displaystyle B^{\mu \nu }}
denota o tensor de intensidade de campo dos campos de hipercarga fraca do Modelo Padrão. Este termo surge naturalmente ao escrever todos os termos permitidos pela simetria de gauge. Após a quebra da simetria eletrofraca e a diagonalização dos termos contendo os tensores de intensidade de campo (termos cinéticos) através da redefinição dos campos, os termos relevantes no Lagrangiano são
L
⊃ −
1 4
F
′ μ ν
F
μ ν
′
+
1 2
m
A
′
2
A
′ μ
A
μ
′
+ ε e
A
′ μ
J
μ
E M
{\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}}
onde
m
A
′
{\displaystyle m_{A^{\prime }}}
é a massa do fóton escuro (neste caso, pode ser pensada como sendo gerada pelo mecanismo de Higgs ou mecanismo de Stueckelberg),
ε
{\displaystyle \epsilon }
é o parâmetro que descreve a força da mistura cinética e
J
μ
E M
{\displaystyle J_{\mu }^{EM}}
denota a corrente eletromagnética com seu acoplamento
e
{\displaystyle e}
. Os parâmetros fundamentais deste modelo são, portanto, a massa do fóton escuro e a força da mistura cinética. Outros modelos deixam a nova simetria de gauge U(1) não quebrada, resultando em um fóton escuro sem massa que carrega uma interação de longo alcance. A incorporação de novos férmions de Dirac como partículas de matéria escura nesta teoria é simples e pode ser alcançada adicionando os termos de Dirac ao Lagrangiano. No entanto, um fóton escuro sem massa será completamente desacoplado do Modelo Padrão e não terá nenhuma consequência experimental por si só. Se houver uma partícula adicional no modelo que originalmente interagia com o fóton escuro, ela se tornará uma partícula milicarrega que pode ser diretamente pesquisada.
Experimentos
Conversão direta
Um candidato a fóton escuro massivo com força de mistura cinética
ε
{\displaystyle \epsilon }
poderia se converter espontaneamente em um fóton do Modelo Padrão. Uma cavidade, com frequência ressonante sintonizada para coincidir com a massa de um candidato a fóton escuro
h f =
m
A
′
c
2
{\displaystyle hf=m_{A^{\prime }}c^{2}}
, pode ser usada para capturar o fóton resultante. Uma técnica para detectar a presença do fóton de sinal na cavidade é amplificar o campo da cavidade com um amplificador limitado quântico. Este método é predominante na busca por matéria escura de áxions. No entanto, com a amplificação linear, é difícil superar o ruído efetivo imposto pelo limite quântico padrão e buscar candidatos a fóton escuro que produziriam uma população média na cavidade muito inferior a 1 fóton. Ao contar o número de fótons na cavidade, é possível subverter o limite quântico. Esta técnica foi demonstrada por pesquisadores da Universidade de Chicago em colaboração com o Fermilab. O experimento excluiu candidatos a fóton escuro com massa centrada em torno de 24,86 μeV e
ε ≥ 1 , 68 ×
10
− 15
{\displaystyle \epsilon \geq 1,68\times 10^{-15}}
usando um qubit supercondutor para medir repetidamente o mesmo fóton. Isso permitiu uma velocidade de busca mais de 1.000 vezes maior em comparação com a técnica convencional de amplificação linear.
Buscas em aceleradores Para uma massa de fóton escuro acima do MeV, os limites atuais são dominados por experimentos baseados em aceleradores de partículas. Assumindo que os fótons escuros produzidos nas colisões decairiam principalmente em pares pósitron-elétron (produção de pares), os experimentos buscam um excesso de pares elétron-pósitron que se originariam do decaimento do fóton escuro. Em média, os resultados experimentais indicam agora que esta partícula hipotética deve interagir com elétrons pelo menos mil vezes mais fracamente do que o fóton padrão. Em mais detalhes, para um fóton escuro que seria mais massivo que um próton (portanto, com massa maior que um GeV), os melhores limites viriam de experimentos em colisores. Embora vários aparatos experimentais tenham sido utilizados na busca por essa partícula, alguns exemplos notáveis são o experimento BaBar, ou os experimentos LHCb e CMS no LHC. Para fótons escuros de massas intermediárias (aproximadamente entre as massas do elétron e do próton), as melhores restrições vêm de experimentos de alvo fixo. Como exemplo, o experimento Heavy Photon Search (HPS) no Jefferson Lab colide elétrons de multi-GeV com uma folha de alvo de tungstênio na busca por esta partícula.
Ver também – Tipo postulado de radiação que medeia interações da matéria escura – Partícula hipotética dual ao fóton – Teoria especulativa da física Partículas milicarrega Matéria escura leve – Superparceira hipotética do fóton
Referências