Los Fotones Oscuros Probablemente No Existan, Y Si Lo Hicieran, Serían Súper Raros

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La medida más precisa de la estructura fina constante hasta la fecha ha descartado la existencia de fotones oscuros, los gemelos propuestos de partículas de luz ordinarias que podrían haber explicado la materia oscura.

Una nueva medición ultraprecisa de una constante física fundamental no ha encontrado hasta ahora ningún indicio de partículas misteriosas conocidas como fotones oscuros.

Si existieran, estos hipotéticos gemelos oscuros de partículas de luz ordinarias serían una forma de explicar la presencia de la materia oscura, una forma misteriosa de materia que no emite luz pero que ejerce una atracción gravitatoria.

Pero la medida más precisa hasta ahora de la constante de estructura fina, que determina la fuerza con que interactúan los electrones y los fotones, o "pareja", ha eliminado la posibilidad de que los fotones oscuros se encuentren en un amplio rango de masas y fuerzas de acoplamiento. Si existieran, tendrían que ser mucho más pesados ​​de lo que se había predicho anteriormente, escribieron los científicos en un nuevo documento que describe el trabajo.

"Nuestra medida descarta estos fotones oscuros muy fuertemente", dijo Holger Müller, físico de la Universidad de California en Berkeley, uno de los coautores del nuevo artículo.

Mezclando con fotones regulares, los fotones oscuros podrían teóricamente detectarse, porque la mezcla tendría un efecto en la constante de estructura fina. Pero en esta nueva y exacta medida de la constante, la evidencia del fotón oscuro no se encontraba en ninguna parte.

Medición de la constante de estructura fina.

Los físicos usan el Modelo Estándar, que describe la física de partículas subatómicas como los electrones y los fotones, para predecir el valor de la constante de estructura fina. Primero, sin embargo, necesitan conocer una propiedad física del electrón: su momento magnético. Las mediciones anteriores de la constante han utilizado la predicción indirecta al combinar las predicciones del Modelo Estándar con experimentos que miden este momento magnético. El nuevo estudio tiene un enfoque más directo.

Para hacer esto, los investigadores hicieron una pequeña "fuente atómica" de átomos de cesio. Los átomos se lanzaron hacia arriba en una sola corriente y luego se golpearon con láseres para forzarlos a una superposición cuántica, en la que cada átomo de cesio estaba en dos lugares al mismo tiempo. Esto hizo dos corrientes, paradójicamente hechas de los mismos átomos. Cuando se recombinaron las dos corrientes de átomos de cesio, los átomos interfirieron entre sí de la manera correcta para que los científicos calculen la velocidad de los átomos cuando fueron alcanzados por los fotones en el láser. Debido a que la velocidad revela la fuerza con la que fueron alcanzados estos átomos y, por lo tanto, la fuerza de los fotones y los electrones se "unen", la constante de la estructura fina podría calcularse con una precisión sin precedentes, informaron los investigadores el 13 de abril en la revista Science. [Extraños quarks y muones, ¡oh! Partículas minúsculas de la naturaleza disecadas]

Pero, ¿qué tiene esto que ver con los fotones oscuros?

Fotones oscuros

Si el fotón oscuro existe, sería un portador de fuerza electromagnética, como el fotón. Pero en lugar de trabajar entre partículas cargadas de materia regular, como lo hace un fotón, el fotón oscuro permitiría interacciones electromagnéticas entre partículas de materia oscura. [Las ecuaciones más bellas del mundo]

Los fotones oscuros no encajan en el modelo estándar. Entonces, si realmente existen, las mediciones de la vida real no coincidirían con las predicciones hechas por el Modelo Estándar. Específicamente, la medición directa de la constante de estructura fina debe diferir de los valores previos derivados de las mediciones indirectas y del Modelo estándar, dijo Müller.

La nueva investigación encontró un valor de la constante de estructura fina diferente al que predice el Modelo estándar, lo que podría sugerir que existen fotones oscuros. Pero hay una trampa.

El desacuerdo que encontraron "va en la dirección opuesta a lo que cabría esperar si existiera el fotón oscuro", dijo Müller a WordsSideKick.com. "Es un desacuerdo, pero es el camino equivocado".

Sin embargo, todavía hay un camino de escape estrecho, a través del cual los fotones oscuros teóricos podrían escapar de la basura de las teorías de la física descartada. El campo de la física de partículas tiene un estándar general para medir la importancia de los resultados: por lo general, un resultado verdaderamente significativo debe tener una probabilidad menor a 1 en 3.5 millones de ser debido a la posibilidad aleatoria, que es un nivel de "5 sigma" de importancia En este caso, la diferencia entre esta medición y la medición más precisa anterior es solo un nivel de significación "2.5-sigma", o una probabilidad de 1 en 200 de ser debido a la posibilidad aleatoria: es muy probable que cumpla con el estándar estándar de el campo.

"Está demasiado lejos para llamarlo acuerdo, pero no lo suficiente como para llamarlo un desacuerdo significativo", dijo Müller, calificándolo de "casi un área gris".

Pero en este punto, puede que no importe. Si las mediciones concuerdan, eso limita severamente las posibilidades de los fotones oscuros. Si las mediciones no están de acuerdo, el desacuerdo va en la dirección equivocada, y eso, dijo Müller, también es una poderosa evidencia en su contra.

"Es como si creyeras que alguien te robó el dinero y luego, cuando miras en tu billetera, descubres que tienes más dinero que antes", dijo Müller.

Publicado originalmente en Ciencia viva.


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