La masa del fotón oscuro y la materia oscura

Dibujo20131230 confidence level upper limits - mixing parameter versus solar hidden photon flux

Una predicción genérica de la fenomenología de la teoría de cuerdas (al menos de las cuerdas heteróticas) es la existencia de un fotón oculto (hidden photon) o fotón oscuro (dark photon) con masa. Este fotón oscuro está acoplado al fotón (partícula gauge del electromagnetismo) y sería producido en el Sol en cantidades ingentes. Muchos experimentos que buscan axiones y/o materia oscura de baja masa también buscan fotones oscuros. Esta figura muestra los límites actuales para el acoplo entre el fotón y el fotón oscuro en función de su masa. Aún no ha sido observado y parece difícil que vaya a serlo en un futuro cercano. El artículo técnico es Yoshizumi Inoue et al. (Sumico Collab.), “Search for Hidden photons with Sumico,” arXiv:1312.7245 [hep-ex], 9th Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs, Mainz, June 24-28, 2013.

Dibujo20131230 lagrangian - photon coupled to dark photon

Uno de los problemas (menores) de la teoría de cuerdas a la hora de predecir (o mejor, “postdecir”) el modelo estándar es la existencia de un segundo grupo gauge U(1) acoplado al del electromagnetismo, pero con un término de masa (ver, por ejemplo, Mark Goodsell, Andreas Ringwald, “Light hidden-sector U(1)s in string compactifications,” Progress of Physics 58: 716–720, 2010arXiv:1002.1840 [hep-th]). Muchas otras extensiones del modelo estándar también predicen un fotón masivo, llamado fotón oculto o fotón oscuro, según el contexto.

El parámetro clave en la física de un nuevo fotón masivo es su acoplo con el fotón del electromagnetismo, sea χ, parámetro que depende de la masa del nuevo fotón. Nunca se ha observado un nuevo fotón con masa, pero si su masa es similar a la del neutrino, sería un candidato para (parte de) la materia oscura en el universo. Muchos experimentos de búsqueda de materia oscura (como Xenon10) ofrecen límites para el acoplo χ en función de la masa del fotón masivo (un buen ejemplo es la figura que abre esta entrada).

dibujo20131230 sumico - axion helioscope

El Sol es una poderosa fuente de fotones, luego también de partículas que estén acopladas con el fotón, como los axiones y los fotones masivos. El experimento japonés Sumico (Tokyo axion helioscope) es un telescopio que apunta al Sol (helioscopio) con un espejo parabólico dentro de un tubo de vacío y con un fotomultiplicador de bajo ruido en el punto focal. Su objetivo es observar axiones y fotones masivos originados en el Sol con una masa entre 0,001 eV y 1 eV. Para observar axiones, este helioscopio utiliza un imán superconductor que produce un campo transversal de 4 teslas. Cuando el imán no está en funcionamiento Sumico se utiliza para buscar fotones masivos.

Como muestra la figura que abre esta entrada, por ahora, Sumico ofrece un límite (marcado “present result” en la figura) peor que el obtenido con Xenon10, cuya sensibilidad es un orden de magnitud mayor. Las mejoras necesarias en Sumico para que supere la sensibilidad de Xenon10 no son prácticas (requieren un rediseño completo del experimento, que fue diseñado para la búsqueda de axiones), por lo que no se espera que sean emprendidas en un futuro cercano.

La partícula asociada a una nueva simetría U(1) se suele llamar Z’ (Z-prima) cuando tiene una masa mucho mayor que la del bosón Z (debe estar en la escala de los TeV) y fotón oculto (u oscuro) cuando su masa es mucho más pequeña que la del electrón (comparable a la del neutrino). Repito, muchas extensiones del modelo estándar predicen su existencia, pero por el momento ningún experimento ha observado nuevos fotones masivos, pero en función de su acoplo con el fotón el rango de masas permitido (como muestra la figura que abre esta entrada) tiene como límite superior los 0,02 eV (valor que hay que comparar con el límite superior para la masa del fotón del electromagnetismo que es de unos 10−18 eV (según el PDG).

El modelo cosmológico de consenso predice la existencia de materia oscura fría, pero es compatible con un modelo mixto en el que también haya una importante componente de materia oscura caliente (como neutrinos y fotones oscuros). Los modelos de formación galáctica y de las grandes estructuras del universo requieren que la materia oscura fría domine sobre la caliente, pero no la descartan del todo. Si el acoplo entre el fotón oscuro y el fotón es suficientemente pequeño, la posible materia oscura caliente podría estar formada por fotones oscuros y neutrinos en pie de igualdad (depende del cociente de sus masas). Por ello muchos experimentos en curso siguen buscando los fotones oscuros.

El objetivo de esta entrada es recordar que, aunque la entrada “BaBar observa a 3 sigmas la primera señal de un fotón oscuro con 8,93 GeV,” 28 Dic 2013, se supone que era una inocentada (en Twitter titulé “BaBar observa la fuerza oscura”), la existencia de fotones oscuros (o fotones masivos) es una predicción de muchas extensiones del modelo estándar; en lugar de llamar electromagnetismo prima o electromagnetismo oculto a la nueva interacción, un nombre habitual es fuerza oscura. De ahí que la asociación con Star Wars es obvia.



5 Comentarios

  1. Feliz año nuevo.

    Si ya me cuesta seguir la física de partículas, con bromas virtuales ni te cuento… Entonces eso del fotón oscuro, a ver, porqué le llaman fotón si es una partícula? Un fotón masivo no es una partícula? Se les llama fotones porqué tienden a serlo aunque muy a menudo adquieran masa? Para mi fotón es por definición algo sin masa….

    En fin, te deseo un próspero año, y que sigas ilustrándonos con tu sabiduria, realmente pocos consiguen acercarme tanto al conocimiento más avanzado que hoy tenemos sobre el Universo.

    Gracias.

  2. En principio, el nombre “fotón” supongo que se eligió para nombrar a las partículas de luz (phōs, «luz» en griego, de donde viene “fotografía” y demás palabras similares), no porque tuviera masa o fuera o dejara de ser una partícula. De hecho, técnicamente se comporta como partícula o como onda, y aunque no tiene masa puede comportarse como si la tuviera en ciertas condiciones.

    Salvo que alguien me corrija, el nombre en sí no implica nada al respecto de su comportamiento como partícula o su ausencia o carencia de masa.

Deja un comentario

Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 31 diciembre, 2013
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science
Etiqueta(s): ,