โฟตอนมืด

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

แรงจูงใจ

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

แรงจูงใจเพิ่มเติมสำหรับการค้นหาโฟตอนมืดมาจากความผิดปกติหลายประการที่สังเกตได้ในทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ (เช่น รังสีคอสมิก) ซึ่งอาจเกี่ยวข้องกับสสารมืดที่มีปฏิสัมพันธ์กับโฟตอนมืด

การประยุกต์ใช้โฟตอนมืดที่น่าสนใจที่สุดอาจเป็นการอธิบายความขัดแย้งระหว่างค่าที่วัดได้และค่าที่คำนวณได้ของโมเมนต์แม่เหล็กที่ผิดปกติของมิวออน ถึงแม้ว่าการตีความที่ง่ายที่สุดของแนวคิดนี้จะขัดแย้งกับข้อมูลการทดลองอื่นในปัจจุบัน ความขัดแย้งนี้มักถูกมองว่าเป็นเบาะแสที่ต่อเนื่องสำหรับฟิสิกส์ที่อยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐาน และควรถูกอธิบายโดยแบบจำลองฟิสิกส์ใหม่แบบทั่วไป นอกจากผลกระทบต่อแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านการผสมทางจลน์และปฏิสัมพันธ์ที่อาจเกิดขึ้นกับอนุภาคของสสารมืดแล้ว โฟตอนมืด (หากมีมวล) ยังสามารถมีบทบาทเป็นตัวเลือกของสสารมืดเองได้อีกด้วย ซึ่งเป็นไปได้ในทางทฤษฎีผ่านกลไกการเยื้องศูนย์ (misalignment mechanism)

ทฤษฎี

การเพิ่มเซกเตอร์ที่มีโฟตอนมืดเข้าไปในลากรานจ์ (Lagrangian) ของแบบจำลองมาตรฐานสามารถทำได้อย่างตรงไปตรงมาและเรียบง่ายด้วยการนำสนามเกจ U(1) แบบใหม่เพิ่มเข้าไป รายละเอียดของปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามใหม่นี้ ซึ่งเป็นเนื้อหาของอนุภาคใหม่ที่อาจมีอยู่ (เช่น ดิแรคเฟอร์มิออนสำหรับสสารมืด) และอนุภาคในแบบจำลองมาตรฐานนั้น แทบจะถูกจำกัดเพียงแค่ความคิดสร้างสรรค์ของนักทฤษฎีและข้อจำกัดที่มีอยู่แล้วในการจับคู่บางประเภท แบบจำลองพื้นฐานที่ได้รับความนิยมมากที่สุดนั้นอาจจะเป็นแบบจำลองที่เกี่ยวกับสมมาตรเกจ U(1) แบบใหม่ที่ถูกทำลาย (broken) และการผสมทางจลน์ ระหว่างสนามโฟตอนมืด $A^{\prime }$ และสนามไฮเปอร์ชาร์จของแบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model hypercharge fields) ตัวดำเนินการที่ใช้คือ $F_{\mu \nu }^{\prime }{B}^{\mu \nu }$ ซึ่ง $F_{\mu \nu }^{\prime }$ เป็นเทนเซอร์ความแข็งแรงของสนาม (field strength tensor) ของสนามโฟตอนมืด และ $B^{\mu \nu }$ แทนเทนเซอร์ความแข็งแรงของสนามไฮเปอร์ชาร์จของแบบจำลองมาตรฐาน พจน์นี้จะเกิดขึ้นตามธรรมชาติเมื่อเขียนพจน์ทั้งหมดที่อนุญาตโดยสมมาตรเกจลงไป ซึ่งหลังจากการทำลายสมมาตรแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างอ่อน (electroweak symmetry breaking) และการทำให้พจน์ที่มีเทนเซอร์ความแข็งแรงของสนาม (kinetic terms) เป็นแนวทแยงด้วยการนิยามสนามใหม่ พจน์ที่เกี่ยวข้องในลากรานจ์จะเป็น$$ℒ\supset -\frac{1}{4}{F}^{\prime \mu \nu }{F}_{\mu \nu }^{\prime }+\frac{1}{2}{m}_{A^{\prime }}^2{A}^{\prime \mu }{A}_{\mu }^{\prime }+ϵe{A}^{\prime \mu }{J}_{\mu }^{EM}$$โดยที่ $m_{A^{\prime }}$ เป็นมวลของโฟตอนมืด (ในกรณีนี้สามารถมองได้ว่าถูกสร้างขึ้นโดยกลไกของฮิกส์หรือสตึคเคลเบิร์ก - Stueckelberg mechanism), $ϵ$ เป็นพารามิเตอร์ที่อธิบายความแรงของการผสมทางจลน์ และ $J_{\mu }^{EM}$ แทนกระแสแม่เหล็กไฟฟ้าพร้อมค่าการจับคู่ (coupling) ของมัน ซึ่งแทนด้วย $e$ ดังนั้นพารามิเตอร์พื้นฐานของแบบจำลองนี้จึงได้แก่มวลของโฟตอนมืดและความแรงของการผสมทางจลน์ แบบจำลองอื่น ๆ อาจเลือกให้สมมาตรเกจ U(1) แบบใหม่นี้ยังคงไม่ถูกทำลาย (unbroken) ส่งผลให้เกิดโฟตอนมืดที่ไม่มีมวลที่มีอันตรกิริยาระยะไกล การรวมดิแรคเฟอร์มิออนชนิดใหม่ในฐานะอนุภาคของสสารมืดในทฤษฎีนี้ทำได้อย่างไม่ซับซ้อน เพียงเพิ่มสมการดิแรคลงในทฤษฎีลากรานจ์ อย่างไรก็ตาม โฟตอนมืดที่ไม่มีมวลจะถูกแยกออกจากแบบจำลองมาตรฐานโดยสมบูรณ์และจะไม่มีผลกระทบเชิงทดลองด้วยตัวของมันเอง หากมีอนุภาคเพิ่มเติมในแบบจำลองที่เดิมทีมีอันตรกิริยากับโฟตอนมืด อนุภาคดังกล่าวจะกลายเป็นอนุภาคประจุเล็ก (millicharged particle) ซึ่งสามารถค้นหาได้โดยตรง

การทดลอง

การแปลงค่าโดยตรง

ข้อจำกัดบนพารามิเตอร์ของการผสมทางจลน์ของโฟตอนมืด

ตัวเลือกของโฟตอนมืดที่มีมวลซึ่งมีความแรงของการผสมทางจลน์เป็นค่า

$ϵ$

อาจสามารถแปลงค่าไปเป็นโฟตอนของแบบจำลองมาตรฐานได้ ช่องว่างที่มีความถี่สั่นพ้องที่ปรับให้ตรงกับมวลของตัวเลือกโฟตอนมืดที่เป็นค่า

$hf=m_{A^{\prime }}{c}^2$

สามารถใช้ในการดักจับโฟตอนที่เกิดขึ้นได้

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

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

การค้นหาด้วยเครื่องเร่งอนุภาค

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

ในส่วนของรายละเอียดเพิ่มเติม สำหรับโฟตอนมืดที่มีมวลมากกว่ามวลของโปรตอน (ซึ่งมีมวลมากกว่า 1 GeV) ข้อจำกัดที่ดีที่สุดมักมาจากการทดลองในเครื่องชนอนุภาค แม้ว่าอุปกรณ์ทดลองหลายแห่งจะถูกนำมาใช้ในการค้นหาอนุภาคนี้ ตัวอย่างที่โดดเด่นได้แก่การทดลอง BaBar หรือการทดลอง LHCb และ CMS ที่เครื่องเร่งอนุภาค LHC สำหรับโฟตอนมืดที่มีมวลปานกลาง (ประมาณระหว่างมวลของอิเล็กตรอนและโปรตอน) ข้อจำกัดที่ดีที่สุดมักมาจากการทดลองแบบเป้าหมายคงที่ (fixed target experiments) ตัวอย่างเช่น การทดลองค้นหาโฟตอนหนัก (Heavy Photon Search - HPS) ที่เจฟเฟอร์สันแล็บ (Jefferson Lab) ซึ่งเป็นการยิงอิเล็กตรอนที่มีค่าพลังงานหลากหลายในช่วง GeV เข้าชนกับฟอยล์ทังสเตนเพื่อค้นหาอนุภาคนี้

ดูเพิ่มเติม

• การแผ่รังสีมืด — การแผ่รังสีในสมมุติฐานที่นำพาอันตรกิริยาของสสารมืด
• โฟตอนคู่ — อนุภาคในสมมุติฐานที่จับคู่กับโฟตอน
• แรงที่ห้า — การคาดเดาในฟิสิกส์ทฤษฎี
• อนุภาคประจุเล็ก
• สสารมืดเบา
• โฟติโน — อนุภาคซูเปอร์คู่หูของโฟตอนในสมมุติฐาน