Fig: Mensajero del lado oscuro: la materia oscura puede interactuar con la materia normal a través de una partícula hipotética conocida como fotón oscuro. (Cortesía: Shutterstock/80's Child)
Los fotones oscuros podrían explicar los datos de la dispersión de alta energía
Kevin Jackson (freelance science writer based in the US)
Un nuevo análisis realizado por un equipo internacional de físicos sugiere que los fotones oscuros (partículas hipotéticas que transportan fuerzas asociadas con la materia oscura) podrían explicar ciertos datos de experimentos de dispersión de alta energía. El análisis, dirigido por Nicholas Hunt-Smith y colegas de la Universidad de Adelaida , Australia, podría conducir a nuevos conocimientos sobre la naturaleza de la materia oscura, que sigue siendo un misterio a pesar de que los modelos estándar de cosmología sugieren que constituye alrededor del 85% de la masa del universo.
La materia oscura recibe su nombre porque no absorbe, refleja ni emite radiación electromagnética. Esto hace que sea extremadamente difícil de detectar en el laboratorio y hasta ahora todos los intentos de hacerlo han dejado a los científicos con las manos vacías. “Más allá del modelo estándar, que describe toda la materia que conocemos,nunca se ha visto ninguna otra partícula”, dice Anthony Thomas , físico de la U.Adelaida y coautor del análisis, publicado en el Journal of High Energy Physics. “No tenemos idea de qué es la materia oscura, aunque parece probable que sea una partícula (o partículas) más allá del modelo estándar”.
La hipótesis del fotón oscuro
Aunque la materia oscura no se comprende bien, sigue siendo la principal explicación de por qué las galaxias giran más rápido de lo que deberíandada la cantidad de materia visible que contienen. Aunque podemos observar la materia oscura interactuando con el universo, el mecanismo de estas interacciones no está claro. Según Carlos Wagner, físico de partículas de la división de Física de Altas Energías (HEP) del Laboratorio Nacional Argonne y profesor de la Universidad de Chicago y del Instituto Enrico Fermi, los fotones oscuros son una posibilidad.
“La historia es más o menos así: podría haber un sector oscuro adicional, donde reside la materia oscura, que se acopla débilmente al sector ordinario, --en este caso, mediante la mezcla de un bosón indicador, el fotón oscuro, con bosones neutrosde calibre ordinario”, dice Wagner, refiriéndose a los fotones, bosones W y Z que transportan fuerzas electromagnéticasdébiles. “Un bosón de calibre de este tipo puede acoplarse de manera relevante a la materia oscura y, en general, a un hipotético sector oscuro”.
Un resultado “provocador”
En el último estudio, el equipo liderado por la U. de Adelaide, que también incluía investigadores del Laboratorio Jefferson en Virginia, EE. UU., realizó un análisis de cromodinámica cuántica global (QCD) de datos de dispersión de alta energía dentro del marco del Momento Angular (JAM) del Laboratorio Jefferson. Los investigadores demostraron que cuando intentan explicar los resultados de experimentos de dispersión inelástica profunda (DIS), se prefiere un modelo que incorpora un fotón oscuro a la hipótesis competidora del modelo estándar con una significatividad de 6,5σ.
“[DIS] es el proceso en el que una sonda como un electrón, un muón o un neutrino se dispersa desde un protón con una transferencia de energía y un momento tan altos (por lo tanto, profunda) que rompe el protón en pedazos (por lo tanto, inelástico)", explica Thomas. “Si sumas todas las piezas, puedes determinar la distribución del impulso de los quarks dentro del protón original”.
Halo oscuro: una imagen del Telescopio Espacial Hubble de la región interior del cúmulo de galaxias Abell 1689. Aunque no se pueden obtener directamente imágenes de la materia oscura, se puede mapear trazando la gran cantidad de arcos producidos por la luz de las galaxias de fondo que se deforma en el primer plano. campo gravitacional del cúmulo, indicado por la superposición azul. (Cortesía: NASA, ESA, E Jullo/Jet Propulsion Laboratory, P Natarajan/Universidad de Yale y JP Kneib/Laboratoire d'Astrophysique de Marseille, CNRS, Francia; Agradecimiento: H Ford y N Benetiz/Universidad Johns Hopkins y T Broadhurst/ Universidad de Tel Aviv)
Thomas añade que los resultados de este experimento se describen en términos de funciones de distribución de patrones (PDF), que dan la probabilidad de encontrar un tipo específico de quark con una fracción determinada del impulso del protón. “Todos los laboratorios de alta energía del mundo han contribuido a tomar los más de 3.000 puntos de datos que tenemos actualmente y que se analizaron en este trabajo”, afirma. “El grupo JAM del Jefferson Lab tiene una larga trayectoria en la extracción de archivos PDF a partir de dichos datos”.
Tim Hobbs , físico teórico de Argonne que no participó en este trabajo pero que anteriormente fue coautor de artículos con varios miembros del equipo, califica el estudio de “provocativo”. Señala que el trabajo implicó ajustar simultáneamente datos de dispersión de protones y neutrones con un escenario más allá del Modelo Estándar (BSM), como la hipótesis del fotón oscuro junto con los PDF. Este enfoque, afirma, “ha ido ganando interés en los últimos años”.
Oportunidades para futuras investigaciones.
Si bien está entusiasmado con el trabajo, Hobbs señala una cuestión práctica que es crucial para su interpretación: la cuantificación de la incertidumbre. "Ésta es una de las fronteras del desarrollo en este campo", afirma. “¿Cómo se llega exactamente a una incertidumbre consistente y reproducible en un análisis teórico con un modelo multiparamétrico complicado?”
Hobbs añade que el nuevo análisis utilizó lo que él llama “una definición de incertidumbre más agresiva” de lo habitual. "Esto puede desempeñar un papel a la hora de realzar la importancia aparente de la firma de fotones oscuros extraída de los datos DIS, así como el grado de correlación con los archivos PDF", afirma. Estas y otras preguntas, concluye, requieren más investigación y está “emocionado de que Hunt-Smith et al. han proporcionado una mayor motivación en esta dirección”.
A Wagner, que tampoco participó en el estudio, le sorprende que el equipo haya restringido su análisis a DIS, ya que la existencia de fotones oscuros también afectaría a los resultados de experimentos de electrones y positrones como BABAR y LEP. "Los valores de [el parámetro de mezcla] épsilon citados no son muy pequeños y tal efecto debería ser visible", dice, señalando que un análisis previo de los datos de BABAR no encontró tales efectos relacionados con los fotones oscuros. Sugiere que los estudios futuros podrían aprender más cambiando el modelo para asumir una asimetría entre los acoplamientos de partículas, lo que significaría que no todos esos acoplamientos se rigen por el mismo parámetro de mezcla.
Thomas está de acuerdo en que es necesario más trabajo. "Dado que nuestro resultado proporciona una evidencia extremadamente fuerte pero indirecta de la existencia de esta partícula, sería fantástico poder confirmarla mediante otros análisis", afirma. Una posible dirección futura, añade, sería estudiar los resultados utilizando versiones más sofisticadas de QCD, aunque añade que “la evidencia en experimentos directos u otras reacciones sería ideal. Tenemos una pista muy fuerte y nos encantaría ver una confirmación independiente”.
Referencia
Physics World | 17 de octubre de 2023 - PARTÍCULAS E INTERACCIONES.ACTUALIZACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
