Темные фотоны нарушат теорему Ландау — Янга
Теорема Ландау — Янга, запрещающая массивным частицам с единичным спином (например, Z-бозону) распадаться на два фотона, может быть нарушена. Для этого нужно предположить, что существуют «темные» фотоны, которые по-другому взаимодействуют с фермионами Стандартной Модели. Физики-теоретики из Италии и Эстонии изучили процесс распада Z-бозона на темный и обычный фотоны и рассчитали его сечение. Препринт статьи выложен на сайт arXiv.org.
В квантовой механике существует теорема Ландау — Янга, утверждающая, что массивная частица с единичным спином не может распасться на две безмассовые частицы, спин которых равен единице и которые не имеют внутренних степеней свободы. В частности, эта теорема запрещает распасться на два фотона ρ-мезону и Z-бозону. Также с помощью этой теоремы было установлено, что спин бозона Хиггса не может быть равен единице, поскольку на LHC наблюдались его двухфотонные распады.
На данный момент физикам известна только одна частица, удовлетворяющая условиям теоремы Ландау — Янга. Это фотон. Однако некоторые теории предполагают существование так называемых «темных фотонов» — частиц, аналогичных обычным фотонам, но не заряженных относительно калибровочных групп Стандартной Модели, а значит, очень слабо взаимодействующих с обычной материей. Это такой аналог фотонов для темной материи, частицы которой практически «не замечают» обычные частицы.
Вообще говоря, теорема Ландау — Янга формулируется для частиц одной природы. Поэтому если темные фотоны действительно существуют, она будет нарушаться, и распад Z-бозона на две частицы с нулевой массой и единичным спином станет возможным. Правда, для этого темные фотоны должны взаимодействовать с фермионами Стандартной Модели не напрямую, а через обмен «темными» фермионами и скалярными частицами. Поэтому взаимодействие определяется не только константой связи α, но и массой гипотетических частиц Λ.
Группа физиков-теоретиков под руководством Марко Фаббрикези (Marco Fabbrichesi) решила изучить этот процесс более подробно. Для этого они рассмотрели первое приближение разработанной теории и рассчитали сечение распада Z-бозона на темный и обычный фотоны. В этом приближении процесс описывается двумя типами однопетлевых диаграмм, в которых происходит обмен тремя виртуальными фермионами (например, электронами или кварками). Вычисление амплитуд процессов, которые сохраняют и нарушают CP-симметрию, ученые выполнили по отдельности. Обе эти амплитуды расходятся с увеличением энергии виртуальных фермионов, однако в итоге они взаимно сокращают друг друга.
Наконец, ученые нашли ширину и коэффициент распада (branching ratio) Z-бозона на темный и обычный фотоны, то есть отношение числа таких процессов к общему числу распадов. Если предположить, что константа связи темных фотонов примерно равна 0,1, а массу гипотетических темных фермионов и скалярных частиц оценить величиной порядка одного гигаэлектронвольта, то коэффициент распада будет примерно равен 10−9 (это безразмерная величина).
Из проведенных на LEP экспериментов следует, что коэффициент распада Z-бозона на обычный и темный фотоны не превышает 10−6. Этого явно недостаточно для проверки предположения ученых. Впрочем, физики надеются, что приблизиться к этому пределу удастся на эксперименте HL-HLC, на котором должно произойти около двухсот таких распадов (если повезет, конечно).
Ранее мы писали о том, как канадские физики-теоретики рассмотрели вклад слабых взаимодействий в распад парапозитрония и показали, что он все-таки может распадаться на три фотона, хотя этот процесс запрещен законом сохранения зарядовой четности.
Дмитрий Трунин
Для этого потребуется собрать вместе несколько сферических слоев с магнитооптическими свойствами
Физики из ИТМО при участии нобелевского лауреата Франка Вильчека численно нашли параметры метаматериала, чей магнитооптический отклик повторяет отклик гипотетических аксионов, если бы они существовали в реальности. Работа ученых открывает дорогу к экспериментам с эмерджентной аксионной электродинамикой. Исследование опубликовано в Physical Review B. Термин «аксион» для новых гипотетических частиц ввел впервые нобелевский лауреат Франк Вильчек (Frank Wilczek), назвав их так в честь стирального порошка — он предполагал, что эти частицы помогут «очистить» квантовую хромодинамику от трудностей, связанных с нарушением CP-симметрии. Сегодня аксионы остаются одними их главных кандидатов на темную материю, и их активно ищут как по астрофизическим данным, так и в наземных экспериментах. В физике, однако, существует и другой подход к исследованию частиц или явлений, которые были предсказаны, но не обнаружены приборами. Он основан на создании особым образом спроектированных сред, элементарные возбуждения в которых (квазичастицы) ведут себя подобно предполагаемым частицам. Ярчайшим примером этого принципа можно назвать исследование майорановских частиц, которые физики активно рассматривают в качестве кандидатов для элементной базы квантовых компьютеров. Аксионоподобные возбуждения (или эмерджентные аксионы) тоже были обнаружены — их нашли в магнитных твердых телах, однако там амплитуда их сигнала довольно небольшая. Однако, в метаматериалах эта ситуация может измениться — это показали Максим Горлач (Maxim A. Gorlach) и его коллеги из ИТМО при участии самого Франка Вильчека. Их работа также посвящена поиску аксионоподобных возбуждений. Ученые обратили внимание на то, что, существуй аксионы на самом деле, они проявят себя в виде дополнительных членов в уравнении Максвелла. С другой стороны, точно такие же члены можно воспроизвести с помощью правильного дизайна среды. Авторы численно показали это на примере магнитного диполя, окруженного аксионной средой. Им удалось подобрать метаматериал, состоящий из сферических слоев магнитооптического вещества и найти параметры, при которых возбуждение поля при таких условиях эквивалентно полям с реальными аксионными эффектами. Важной особенностью проведенных расчетов стало то, что предсказанная учеными константа взаимодействия с эмерджентными аксионами оказалась не только достаточно велика, но и поддавалась управлению за счет добавления или убавления слоев — в предыдущих исследованиях такой возможности не было. В работе физиков структура продемонстрировала аксионный отклик в микроволновой и терагерцовых областях. По мнению ученых, их моделирование открывает дорогу к созданию компактных установок для проверки свойств аксионной электродинамики. Ранее мы рассказывали, что в немецком исследовательском центре DESY стартовал эксперимент ALPS II, призванный обнаружить превращение фотонов в аксионы.