Dunkles Photon

Grundidee

Das dunkle Photon ist ein hypothetisches Spin-1-Eichboson und soll als Austauschteilchen der dunklen Materie wirken, ähnlich wie das gewöhnliche Photon als Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung. Es gehört damit zu möglichen Teilchen des „dunklen Sektors“, also zu Teilchen, die mit dunkler Materie wechselwirken.

In einem minimalen Szenario wird die Eichgruppe des Standardmodells der Teilchenphysik um eine neue abelsche U(1)-Symmetrie erweitert. Eine Eichgruppe beschreibt dabei die Symmetrie, aus der sich die Eigenschaften einer Kraft und ihres Austauschteilchens ergeben. Das dunkle Photon kann durch kinetische Mischung sehr schwach an elektrisch geladene Teilchen koppeln. Diese Mischung könnte einen experimentellen Nachweis ermöglichen. Neben der kinetischen Mischung sind auch andere Arten der Kopplung möglich.

Motivation und mögliche Rollen

Beobachtete Gravitationseffekte lassen sich nicht allein durch sichtbare Materie erklären. Daraus folgt nach gängiger Vorstellung, dass dunkle Materie existiert, die entweder gar nicht oder nur sehr schwach an die bekannten Naturkräfte koppelt. Sie dominiert die Materiedichte des Universums; ihre Bestandteile konnten bisher jedoch weder direkt noch indirekt nachgewiesen werden.

Da die bekannten Teilchen des Standardmodells vielseitige Wechselwirkungen besitzen, liegt die Annahme nahe, dass auch Teilchen im dunklen Sektor miteinander wechselwirken könnten. Dunkle Photonen könnten solche Wechselwirkungen vermitteln. Durch ihre kinetische Mischung mit dem gewöhnlichen Photon würden sie ein sogenanntes Vektorportal bilden: einen nicht-gravitativen Zugang, über den sich Hinweise auf den dunklen Sektor gewinnen lassen.

Weitere Gründe für die Suche nach dunklen Photonen sind astrophysikalische Anomalien, beispielsweise in der kosmischen Strahlung. Besonders wichtig ist die mögliche Erklärung der Diskrepanz zwischen dem gemessenen und dem berechneten anomalen magnetischen Moment des Myons. Diese Diskrepanz gilt allgemein als anhaltender Hinweis auf Physik jenseits des Standardmodells.

Ein massives dunkles Photon könnte außerdem selbst ein Kandidat für dunkle Materie sein. Theoretisch ist dies durch den sogenannten Misalignment-Mechanismus möglich.

Theoretisches Basismodell

Das dunkle-Photon-Modell lässt sich minimal in die Lagrange-Dichte des Standardmodells aufnehmen, indem ein neues Feld einer U(1)-Eichgruppe eingeführt wird. Die Lagrange-Dichte beschreibt die Dynamik und Wechselwirkungen der beteiligten Felder. Das neue Modell kann zusätzlich neue Teilchen enthalten, etwa ein Dirac-Fermion als Teilchen der dunklen Materie. Die möglichen Wechselwirkungen werden praktisch nur durch die im Standardmodell geltenden Ausschlusskriterien beziehungsweise No-go-Theoreme begrenzt.

Das populärste Basismodell verwendet eine neue gebrochene U(1)-Symmetrie. Zwischen dem dunklen Photonenfeld A′ und dem Feld der ungebrochenen U(1)Y-Eichgruppe des Standardmodells tritt eine kinetische Mischung auf. U(1)Y gehört zur schwachen Hyperladung, einer Eichwechselwirkung des Standardmodells. Der entsprechende Operator lautet

F′μν Bμν.

Dabei ist F′μν der Feldstärketensor des dunklen Photonenfeldes und Bμν der Feldstärketensor des Bosons der schwachen Hyperladung. Dieser Term ist der einzige durch Eichsymmetrie erlaubte Kopplungsterm.

Nach der elektroschwachen Symmetriebrechung und der Diagonalisierung der elektroschwachen Eichbosonen in der Masseneigenbasis lautet der relevante Teil der Lagrange-Dichte:

ℒ ⊃ − 1/4 F′μν F′μν + 1/2 mA′² A′μ A′μ + ε e A′μ JEMμ.

Dabei bezeichnet mA′ die Masse des dunklen Photons, die durch die Brechung der U(1) erzeugt wird. ε ist der Parameter für die Stärke der kinetischen Mischung, JEMμ der elektromagnetische Strom und e die Elementarladung. Die grundlegenden Parameter dieses Modells sind daher die Masse des dunklen Photons und die Stärke der kinetischen Mischung.

In anderen Modellen bleibt die neue U(1)-Symmetrie erhalten. Dann ist das dunkle Photon masselos und vermittelt eine Wechselwirkung mit großer Reichweite. Experimentell ist ein masseloses dunkles Photon jedoch schwer vom Photon des Standardmodells zu unterscheiden. Neue Dirac-Fermionen als Teilchen der dunklen Materie lassen sich durch das Hinzufügen der entsprechenden Dirac-Terme zur Lagrange-Dichte in die Theorie aufnehmen.