โฟตอนมืด

โฟตอนมืด (อังกฤษ: dark photon) หรือเรียกอีกชื่อว่าโฟตอนซ่อนเร้น, โฟตอนหนัก, พาราโฟตอน หรือโฟตอนเปลี่ยว เป็นอนุภาคในสมมุติฐานที่อยู่ในกลุ่มฮิดเดนเซกเตอร์ โดยได้รับการนำเสนอให้เป็นพาหะแรงที่มีลักษณะคล้ายกับโฟตอนในทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า แต่มีความเชื่อมโยงกับสสารมืด ในสถานการณ์ที่เรียบง่ายที่สุดนั้นแรงชนิดใหม่นี้สามารถถูกเพิ่มเข้าโดยการขยายกลุ่มเกจของแบบจำลองมาตรฐานด้วยแบบ อันใหม่ อนุภาคเกจโบซอนที่มีค่าสปินเป็น 1 ตัวใหม่ดังกล่าวนี้ ซึ่งก็คือโฟตอนมืด สามารถจับคู่ (couple) แบบอ่อนกับอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าได้ผ่านการผสมทางจลน์ (kinetic mixing) กับโฟตอนธรรมดา ด้วยเหตุนี้จึงอาจถูกตรวจพบได้ นอกจากนี้ โฟตอนมืดยังสามารถมีปฏิสัมพันธ์กับแบบจำลองมาตรฐานได้หากเฟอร์มิออนบางตัวมีประจุภายใต้กลุ่มอาบีเลียนแบบใหม่นี้ อย่างไรก็ตาม การกำหนดการจัดเรียงของประจุที่เป็นไปได้จะถูกจำกัดด้วยข้อกำหนดด้านความสอดคล้อง เช่น การยกเลิก (anomaly cancellation) และข้อจำกัดที่มาจากเมทริกซ์ยูคาวะ (Yukawa matrices)

แรงจูงใจ

การสังเกตผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วย(สสารที่มองเห็น)เพียงอย่างเดียวได้บ่งชี้ถึงการมีอยู่ของสสารที่ไม่มี หรือมีปฏิสัมพันธ์อย่างอ่อนมากกับแรงพื้นฐานที่รู้จักในธรรมชาติ สสารมืดชนิดนี้เป็นตัวครองความหนาแน่นของสสารในเอกภพ แต่อนุภาคของมัน (หากมีอยู่จริง) ยังไม่สามารถตรวจจับได้ทั้งทางตรงและทางอ้อมจนถึงปัจจุบัน เมื่อพิจารณาโครงสร้างปฏิสัมพันธ์ที่หลากหลายของอนุภาคในแบบจำลองมาตรฐาน ซึ่งเป็นเพียงองค์ประกอบรองของเอกภพ จึงเป็นเรื่องสมเหตุสมผลที่จะทำให้นึกถึงพฤติกรรมการมีปฏิสัมพันธ์ที่คล้ายคลึงกันในกลุ่มดาร์กเซกเตอร์ (dark sector) อนุภาคโฟตอนมืดอาจเป็นส่วนหนึ่งของปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคของสสารมืด และสามารถให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการมีอยู่ของมันในลักษณะที่ไม่ผ่านแรงโน้มถ่วง (หรือที่เรียกว่าพอร์ทัลเวกเตอร์ - vector portal) โดยอาศัยการผสมทางจลน์ (kinetic mixing) กับโฟตอนในแบบจำลองมาตรฐาน

แรงจูงใจเพิ่มเติมสำหรับการค้นหาโฟตอนมืดมาจากความผิดปกติหลายประการที่สังเกตได้ในทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ (เช่น รังสีคอสมิก) ซึ่งอาจเกี่ยวข้องกับสสารมืดที่มีปฏิสัมพันธ์กับโฟตอนมืด

การประยุกต์ใช้โฟตอนมืดที่น่าสนใจที่สุดอาจเป็นการอธิบายความขัดแย้งระหว่างค่าที่วัดได้และค่าที่คำนวณได้ของ ถึงแม้ว่าการตีความที่ง่ายที่สุดของแนวคิดนี้จะขัดแย้งกับข้อมูลการทดลองอื่นในปัจจุบัน ความขัดแย้งนี้มักถูกมองว่าเป็นเบาะแสที่ต่อเนื่องสำหรับ และควรถูกอธิบายโดยแบบจำลองฟิสิกส์ใหม่แบบทั่วไป นอกจากผลกระทบต่อแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านการผสมทางจลน์และปฏิสัมพันธ์ที่อาจเกิดขึ้นกับอนุภาคของสสารมืดแล้ว โฟตอนมืด (หากมีมวล) ยังสามารถมีบทบาทเป็นตัวเลือกของสสารมืดเองได้อีกด้วย ซึ่งเป็นไปได้ในทางทฤษฎีผ่าน (misalignment mechanism)

ทฤษฎี

การเพิ่มเซกเตอร์ที่มีโฟตอนมืดเข้าไปใน (Lagrangian) ของแบบจำลองมาตรฐานสามารถทำได้อย่างตรงไปตรงมาและเรียบง่ายด้วยการนำ U(1) แบบใหม่เพิ่มเข้าไป รายละเอียดของปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามใหม่นี้ ซึ่งเป็นเนื้อหาของอนุภาคใหม่ที่อาจมีอยู่ (เช่น สำหรับสสารมืด) และอนุภาคในแบบจำลองมาตรฐานนั้น แทบจะถูกจำกัดเพียงแค่ความคิดสร้างสรรค์ของนักทฤษฎีและข้อจำกัดที่มีอยู่แล้วในการจับคู่บางประเภท แบบจำลองพื้นฐานที่ได้รับความนิยมมากที่สุดนั้นอาจจะเป็นแบบจำลองที่เกี่ยวกับสมมาตรเกจ U(1) แบบใหม่ที่ถูกทำลาย (broken) และการผสมทางจลน์ ระหว่างสนามโฟตอนมืด ${\displaystyle A^{\prime }}$ และ (Standard Model hypercharge fields) ตัวดำเนินการที่ใช้คือ ${\displaystyle F_{\mu \nu }^{\prime }B^{\mu \nu }}$ ซึ่ง ${\displaystyle F_{\mu \nu }^{\prime }}$ เป็น (field strength tensor) ของสนามโฟตอนมืด และ ${\displaystyle B^{\mu \nu }}$ แทนเทนเซอร์ความแข็งแรงของสนามไฮเปอร์ชาร์จของแบบจำลองมาตรฐาน พจน์นี้จะเกิดขึ้นตามธรรมชาติเมื่อเขียนพจน์ทั้งหมดที่อนุญาตโดยสมมาตรเกจลงไป ซึ่งหลังจากการทำลาย (electroweak symmetry breaking) และการทำให้พจน์ที่มีเทนเซอร์ความแข็งแรงของสนาม (kinetic terms) เป็นแนวทแยงด้วยการนิยามสนามใหม่ พจน์ที่เกี่ยวข้องในลากรานจ์จะเป็น$${\displaystyle {\mathcal {L}}\supset -{\frac {1}{4}}F^{\prime \mu \nu }F_{\mu \nu }^{\prime }+{\frac {1}{2}}m_{A^{\prime }}^{2}A^{\prime \mu }A_{\mu }^{\prime }+\epsilon eA^{\prime \mu }J_{\mu }^{EM}}$$โดยที่ ${\displaystyle m_{A^{\prime }}}$ เป็นมวลของโฟตอนมืด (ในกรณีนี้สามารถมองได้ว่าถูกสร้างขึ้นโดยหรือ - Stueckelberg mechanism), ${\displaystyle \epsilon }$ เป็นพารามิเตอร์ที่อธิบายความแรงของการผสมทางจลน์ และ ${\displaystyle J_{\mu }^{EM}}$ แทนกระแสแม่เหล็กไฟฟ้าพร้อมค่าการจับคู่ (coupling) ของมัน ซึ่งแทนด้วย ${\displaystyle e}$ ดังนั้นพารามิเตอร์พื้นฐานของแบบจำลองนี้จึงได้แก่มวลของโฟตอนมืดและความแรงของการผสมทางจลน์ แบบจำลองอื่น ๆ อาจเลือกให้สมมาตรเกจ U(1) แบบใหม่นี้ยังคงไม่ถูกทำลาย (unbroken) ส่งผลให้เกิดโฟตอนมืดที่ไม่มีมวลที่มีอันตรกิริยาระยะไกล การรวมดิแรคเฟอร์มิออนชนิดใหม่ในฐานะอนุภาคของสสารมืดในทฤษฎีนี้ทำได้อย่างไม่ซับซ้อน เพียงเพิ่มลงในทฤษฎีลากรานจ์ อย่างไรก็ตาม โฟตอนมืดที่ไม่มีมวลจะถูกแยกออกจากแบบจำลองมาตรฐานโดยสมบูรณ์และจะไม่มีผลกระทบเชิงทดลองด้วยตัวของมันเอง หากมีอนุภาคเพิ่มเติมในแบบจำลองที่เดิมทีมีอันตรกิริยากับโฟตอนมืด อนุภาคดังกล่าวจะกลายเป็น (millicharged particle) ซึ่งสามารถค้นหาได้โดยตรง

การทดลอง

การแปลงค่าโดยตรง

ข้อจำกัดบนพารามิเตอร์ของการผสมทางจลน์ของโฟตอนมืด

ตัวเลือกของโฟตอนมืดที่มีมวลซึ่งมีความแรงของการผสมทางจลน์เป็นค่า ${\displaystyle \epsilon }$ อาจสามารถแปลงค่าไปเป็นโฟตอนของแบบจำลองมาตรฐานได้ ช่องว่างที่มีความถี่สั่นพ้องที่ปรับให้ตรงกับมวลของตัวเลือกโฟตอนมืดที่เป็นค่า ${\displaystyle hf=m_{A^{\prime }}c^{2}}$ สามารถใช้ในการดักจับโฟตอนที่เกิดขึ้นได้

วิธีหนึ่งในการตรวจจับการมีอยู่ของโฟตอนที่ส่งสัญญาณในช่องว่างนี้คือการขยายสนามในช่องว่างด้วยตัวขยายสัญญาณที่มีข้อจำกัดตามควอนตัม (quantum-limited amplifier) วิธีนี้เป็นที่แพร่หลายในการค้นหา อย่างไรก็ตาม การขยายสัญญาณเชิงเส้น (linear amplification) นั้นย่อมเป็นการยากที่จะเอาชนะสัญญาณรบกวนที่เกิดจาก (standard quantum limit) และการค้นหาตัวเลือกที่จะมาเป็นโฟตอนมืดนั้นอาจมีเพียงประชากรในช่องว่างโดยเฉลี่ยน้อยกว่า 1 โฟตอน

ด้วยการนับจำนวนโฟตอนในช่องว่างได้ทำให้สามารถหลีกเลี่ยงข้อจำกัดควอนตัมได้ เทคนิคนี้ได้รับการสาธิตโดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยชิคาโกร่วมกับเฟอร์มิแล็บ (Fermilab) การทดลองได้ตัดความเป็นไปได้ของตัวเลือกของโฟตอนมืดที่มีมวลประมาณ 24.86 ไมโครอิเล็กตรอนโวลต์ และ ${\displaystyle \epsilon \geq 1.68\times 10^{-15}}$ โดยใช้ (superconducting qubit) เพื่อวัดโฟตอนตัวเดิมซ้ำหลายครั้ง วิธีนี้ช่วยให้ความเร็วในการค้นหาเพิ่มขึ้นมากกว่า 1,000 เท่า เมื่อเทียบกับเทคนิคการขยายสัญญาณเชิงเส้นแบบดั้งเดิม

การค้นหาด้วยเครื่องเร่งอนุภาค

สำหรับโฟตอนมืดที่มีมวลสูงกว่า 1 MeV ข้อจำกัดในปัจจุบันส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยการทดลองที่ใช้เครื่องเร่งอนุภาค โดยสมมติว่าโฟตอนมืดที่เกิดขึ้นจากการชนกันจะสลายตัวเป็นคู่โพซิตรอน-อิเล็กตรอนเป็นหลัก การทดลองจึงมุ่งค้นหาการเพิ่มขึ้นของคู่โพซิตรอน-อิเล็กตรอนที่อาจเกิดจากของโฟตอนมืด ผลการทดลองในปัจจุบันโดยเฉลี่ยบ่งชี้ว่า อนุภาคในสมมุติฐานนี้ต้องมีปฏิสัมพันธ์กับอิเล็กตรอนที่อ่อนกว่าโฟตอนในแบบจำลองมาตรฐานอย่างน้อยพันเท่า

ในส่วนของรายละเอียดเพิ่มเติม สำหรับโฟตอนมืดที่มีมวลมากกว่ามวลของโปรตอน (ซึ่งมีมวลมากกว่า 1 GeV) ข้อจำกัดที่ดีที่สุดมักมาจากการทดลองใน แม้ว่าอุปกรณ์ทดลองหลายแห่งจะถูกนำมาใช้ในการค้นหาอนุภาคนี้ ตัวอย่างที่โดดเด่นได้แก่การทดลอง หรือการทดลอง และ ที่เครื่องเร่งอนุภาค LHC สำหรับโฟตอนมืดที่มีมวลปานกลาง (ประมาณระหว่างมวลของอิเล็กตรอนและโปรตอน) ข้อจำกัดที่ดีที่สุดมักมาจาก (fixed target experiments) ตัวอย่างเช่น การทดลองค้นหาโฟตอนหนัก (Heavy Photon Search - HPS) ที่ (Jefferson Lab) ซึ่งเป็นการยิงอิเล็กตรอนที่มีค่าพลังงานหลากหลายในช่วง GeV เข้าชนกับฟอยล์ทังสเตนเพื่อค้นหาอนุภาคนี้

ดูเพิ่มเติม

• — การแผ่รังสีในสมมุติฐานที่นำพาอันตรกิริยาของสสารมืด
• — อนุภาคในสมมุติฐานที่จับคู่กับโฟตอน
• — การคาดเดาในฟิสิกส์ทฤษฎี
• — อนุภาคซูเปอร์คู่หูของโฟตอนในสมมุติฐาน

อ้างอิง

1. Essig, R.; Jaros, J. A.; Wester, W.; Adrian, P. Hansson; Andreas, S.; Averett, T.; Baker, O.; Batell, B.; Battaglieri, M. (2013-10-31). "Dark Sectors and New, Light, Weakly-Coupled Particles". arXiv:1311.0029 [hep-ph].
2. Holdom, Bob (1986-01). "Two U(1)'s and ϵ charge shifts". Physics Letters B (ภาษาอังกฤษ). 166 (2): 196–198. doi:10.1016/0370-2693(86)91377-8. {{}}: ตรวจสอบค่าวันที่ใน: |date= ((help))
3. Galison, Peter; Manohar, Aneesh (1984-03). "Two Z's or not two Z's?". Physics Letters B (ภาษาอังกฤษ). 136 (4): 279–283. doi:10.1016/0370-2693(84)91161-4. {{}}: ตรวจสอบค่าวันที่ใน: |date= ((help))
4. Battaglieri, Marco; Belloni, Alberto; Chou, Aaron; Cushman, Priscilla; Echenard, Bertrand; Essig, Rouven; Estrada, Juan; Feng, Jonathan L.; (2017-07-14). "US Cosmic Visions: New Ideas in Dark Matter 2017: Community Report". arXiv:1707.04591 [hep-ph].
5. Pospelov, Maxim; Ritz, Adam (2009-01). "Astrophysical signatures of secluded dark matter". Physics Letters B (ภาษาอังกฤษ). 671 (3): 391–397. doi:10.1016/j.physletb.2008.12.012. {{}}: ตรวจสอบค่าวันที่ใน: |date= ((help))
6. Arkani-Hamed, Nima; Finkbeiner, Douglas P.; Slatyer, Tracy R.; Weiner, Neal (2009-01-27). "A theory of dark matter". Physical Review D (ภาษาอังกฤษ). 79 (1). doi:10.1103/PhysRevD.79.015014. ISSN 1550-7998.
7. Pospelov, Maxim (2009-11-02). "Secluded U(1) below the weak scale". Physical Review D (ภาษาอังกฤษ). 80 (9). doi:10.1103/PhysRevD.80.095002. ISSN 1550-7998.
8. Endo, Motoi; Hamaguchi, Koichi; Mishima, Go (2012-11-27). "Constraints on hidden photon models from electron g − 2 and hydrogen spectroscopy". Physical Review D (ภาษาอังกฤษ). 86 (9). doi:10.1103/PhysRevD.86.095029. ISSN 1550-7998.
9. on behalf of ETM collaboration; Giusti, D.; Lubicz, V.; Martinelli, G.; Sanfilippo, F.; Simula, S. (2017-10). "Strange and charm HVP contributions to the muon (g − 2) including QED corrections with twisted-mass fermions". Journal of High Energy Physics (ภาษาอังกฤษ). 2017 (10). doi:10.1007/JHEP10(2017)157. ISSN 1029-8479. {{}}: ตรวจสอบค่าวันที่ใน: |date= ((help))
10. Lees, J. P.; Poireau, V.; Tisserand, V.; Grauges, E.; Palano, A.; Eigen, G.; Stugu, B.; Brown, D. N.; Feng, M.; Kerth, L. T.; Kolomensky, Yu. G. (2014-11-10). "Search for a Dark Photon in e + e − Collisions at BaBar". Physical Review Letters (ภาษาอังกฤษ). 113 (20). doi:10.1103/PhysRevLett.113.201801. ISSN 0031-9007.
11. Paola Arias; Davide Cadamuro; Mark Goodsell; Joerg Jaeckel; Javier Redondo; Andreas Ringwald (2012-06-01). "WISPy cold dark matter". Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2012 (06): 013–013. doi:10.1088/1475-7516/2012/06/013. ISSN 1475-7516.
12. Ackerman, Lotty; Buckley, Matthew R.; Carroll, Sean M.; Kamionkowski, Marc (2009-01-23). "Dark matter and dark radiation". Physical Review D (ภาษาอังกฤษ). 79 (2). doi:10.1103/PhysRevD.79.023519. ISSN 1550-7998.
13. Foot, R.; Vagnozzi, S. (2015-01-21). "Dissipative hidden sector dark matter". Physical Review D (ภาษาอังกฤษ). 91 (2). doi:10.1103/PhysRevD.91.023512. ISSN 1550-7998.
14. Ilten, Philip; Soreq, Yotam; Williams, Mike; Xue, Wei (2018-06). "Serendipity in dark photon searches". Journal of High Energy Physics (ภาษาอังกฤษ). 2018 (6). doi:10.1007/JHEP06(2018)004. ISSN 1029-8479. {{}}: ตรวจสอบค่าวันที่ใน: |date= ((help))
15. Holdom, Bob (1986-01). "Two U(1)'s and ϵ charge shifts". Physics Letters B (ภาษาอังกฤษ). 166 (2): 196–198. doi:10.1016/0370-2693(86)91377-8. {{}}: ตรวจสอบค่าวันที่ใน: |date= ((help))
16. Antel, C.; Battaglieri, M.; Beacham, J.; Boehm, C.; Buchmüller, O.; Calore, F.; Carenza, P.; Chauhan, B.; Cladè, P.; Coloma, P.; Crivelli, P. (2023-12-11). "Feebly-interacting particles: FIPs 2022 Workshop Report". The European Physical Journal C (ภาษาอังกฤษ). 83 (12). doi:10.1140/epjc/s10052-023-12168-5. ISSN 1434-6052.
17. Ilten, Philip; Soreq, Yotam; Williams, Mike; Xue, Wei (2018-06). "Serendipity in dark photon searches". Journal of High Energy Physics (ภาษาอังกฤษ). 2018 (6). doi:10.1007/JHEP06(2018)004. ISSN 1029-8479. {{}}: ตรวจสอบค่าวันที่ใน: |date= ((help))
18. Dixit, Akash V.; Chakram, Srivatsan; He, Kevin; Agrawal, Ankur; Naik, Ravi K.; Schuster, David I.; Chou, Aaron (2021-04-08). "Searching for Dark Matter with a Superconducting Qubit". Physical Review Letters (ภาษาอังกฤษ). 126 (14). doi:10.1103/PhysRevLett.126.141302. ISSN 0031-9007.
19. Antel, C.; Battaglieri, M.; Beacham, J.; Boehm, C.; Buchmüller, O.; Calore, F.; Carenza, P.; Chauhan, B.; Cladè, P.; Coloma, P.; Crivelli, P. (2023-12-11). "Feebly-interacting particles: FIPs 2022 Workshop Report". The European Physical Journal C (ภาษาอังกฤษ). 83 (12). doi:10.1140/epjc/s10052-023-12168-5. ISSN 1434-6052.
20. Aaij, R.; Abellán Beteta, C.; Ackernley, T.; Adeva, B.; Adinolfi, M.; Afsharnia, H.; Aidala, C. A.; Aiola, S.; Ajaltouni, Z.; Akar, S.; Albicocco, P. (2020-01-29). "Search for A ′ → μ + μ − Decays". Physical Review Letters (ภาษาอังกฤษ). 124 (4). doi:10.1103/PhysRevLett.124.041801. ISSN 0031-9007.
21. "Heavy Photon Search (HPS) | EPP - Elementary Particle Physics". web.archive.org. 2023-05-31. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2023-05-31. สืบค้นเมื่อ 2025-01-24.