Темные фотоны нарушат теорему Ландау — Янга

M. Fabbrichesi et. al.

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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.