โฟตอนมืด

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.
</math> แทนเทนเซอร์ความแข็งแรงของสนามไฮเปอร์ชาร์จของแบบจำลองมาตรฐาน พจน์นี้จะเกิดขึ้นตามธรรมชาติเมื่อเขียนพจน์ทั้งหมดที่อนุญาตโดยสมมาตรเกจลงไป ซึ่งหลังจากการทำลายสมมาตรแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างอ่อน (electroweak symmetry breaking) และการทำให้พจน์ที่มีเทนเซอร์ความแข็งแรงของสนาม (kinetic terms) เป็นแนวทแยงด้วยการนิยามสนามใหม่ พจน์ที่เกี่ยวข้องในลากรานจ์จะเป็น<math display="block" id="lagrange">\mathcal{L}\supset-\frac{1}{4}F^{\prime\mu\nu}F^{\prime}_{\mu\nu}+\frac{1}{2}m_{A^\prime}^{2}A^{\prime\mu}A^{\prime}_\mu+\epsilon e A^{\prime\mu}J_{\mu}^{EM}</math>โดยที่ <math>m_{A^\prime}</math> เป็นมวลของโฟตอนมืด (ในกรณีนี้สามารถมองได้ว่าถูกสร้างขึ้นโดยกลไกของฮิกส์หรือสตึคเคลเบิร์ก - Stueckelberg mechanism), <math>\epsilon</math> เป็นพารามิเตอร์ที่อธิบายความแรงของการผสมทางจลน์ และ <math>J_{\mu}^{EM}</math> แทนกระแสแม่เหล็กไฟฟ้าพร้อมค่าการจับคู่ (coupling) ของมัน ซึ่งแทนด้วย <math>e</math> ดังนั้นพารามิเตอร์พื้นฐานของแบบจำลองนี้จึงได้แก่มวลของโฟตอนมืดและความแรงของการผสมทางจลน์ แบบจำลองอื่น ๆ อาจเลือกให้สมมาตรเกจ U(1) แบบใหม่นี้ยังคงไม่ถูกทำลาย (unbroken) ส่งผลให้เกิดโฟตอนมืดที่ไม่มีมวลที่มีอันตรกิริยาระยะไกล การรวมดิแรคเฟอร์มิออนชนิดใหม่ในฐานะอนุภาคของสสารมืดในทฤษฎีนี้ทำได้อย่างไม่ซับซ้อน เพียงเพิ่มสมการดิแรคลงในทฤษฎีลากรานจ์ อย่างไรก็ตาม โฟตอนมืดที่ไม่มีมวลจะถูกแยกออกจากแบบจำลองมาตรฐานโดยสมบูรณ์และจะไม่มีผลกระทบเชิงทดลองด้วยตัวของมันเอง หากมีอนุภาคเพิ่มเติมในแบบจำลองที่เดิมทีมีอันตรกิริยากับโฟตอนมืด อนุภาคดังกล่าวจะกลายเป็นอนุภาคประจุเล็ก (millicharged particle) ซึ่งสามารถค้นหาได้โดยตรง
การทดลอง.
การแปลงค่าโดยตรง.
ตัวเลือกของโฟตอนมืดที่มีมวลซึ่งมีความแรงของการผสมทางจลน์เป็นค่า <math>\epsilon</math> อาจสามารถแปลงค่าไปเป็นโฟตอนของแบบจำลองมาตรฐานได้ ช่องว่างที่มีความถี่สั่นพ้องที่ปรับให้ตรงกับมวลของตัวเลือกโฟตอนมืดที่เป็นค่า <math>hf = m_{A^\prime}c^2</math> 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 <math>\epsilon \geq 1.68 \times 10^{-15}</math> 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