ダークフォトン

ダーク光子（隠れた光子、重い光子、パラ光子、隔離された光子とも呼ばれる）は、仮想的な隠れたセクター 粒子であり、電磁気学の光子に似た力の媒体として提案されているが、潜在的に暗黒物質に関連している。^{[1]最小限のシナリオでは、この新しい力は、新しい}アーベルU(1)ゲージ対称性で標準素粒子物理学のゲージ群を拡張することによって導入できる。対応する新しいスピン1ゲージボソン（つまり、ダーク光子）は、通常の光子との運動混合を通じて非常に弱く帯電粒子と結合し^[2]、検出できる可能性がある。ダーク光子は、いくつかのフェルミオンが新しいアーベル群の下で帯電している場合、標準モデルと相互作用することもできる。^{[3]可能な帯電配置は、}異常性のキャンセルや湯川行列に由来する制約など、いくつかの整合性要件によって制限される。

可視物質だけでは説明できない重力効果の観測は、既知の自然力と結合しないか、または非常に弱くしか結合しない物質の存在を示唆している。この暗黒物質は宇宙の物質密度の大部分を占めているが、その粒子（もし存在するなら）はこれまで直接的または間接的に検出されていなかった。よく知られている標準モデルの粒子（宇宙の準主要構成要素に過ぎない）の豊かな相互作用構造を考えると、暗黒セクター粒子の同様の相互作用挙動について考えるのは自然なことである。暗黒光子は暗黒物質粒子間のこれらの相互作用の一部である可能性があり、標準モデルの光子と運動学的に混合することにより、その存在への非重力的な窓（いわゆるベクトルポータル）を提供する。^{[1] [4]}暗黒光子探索のさらなる動機は、暗黒物質と暗黒光子の相互作用に関連する可能性のある天体物理学（宇宙線など）でのいくつかの異常の観測である。^{[5] [6]}おそらくダークフォトンの最も興味深い応用は、ミューオンの異常磁気モーメントの測定値と計算値との食い違いの説明に生じるが、^{[7] [8] [9]}このアイデアの最も単純な実現は現在、他の実験データと矛盾している。^{[10]この食い違いは通常、}標準モデルを超える物理学への永続的なヒントであると考えられており、一般的な新しい物理モデルによって説明される必要がある。 運動混合とダークマター粒子との相互作用による電磁気学への影響に加えて、ダークフォトンは（質量がある場合）それ自体がダークマター候補の役割を果たすこともできる。 これは、ミスアラインメントメカニズムを通じて理論的に可能である。^[11]

暗黒光子を含むセクターを標準モデルのラグランジアンに加えることは、新しい U(1)ゲージ場 を導入することによって、簡単かつ最小限の方法で行うことができます。^[2]この新しい場、潜在的な新しい粒子コンテンツ (たとえば、暗黒物質のディラック粒子)、および標準モデルの粒子間の相互作用の詳細は、理論家の創造性と、特定の種類の結合にすでに課されている制約によってのみ事実上制限されます。おそらく最も人気のある基本モデルは、単一の新しい破れた U(1) ゲージ対称性と、対応する暗黒光子場と標準モデルのハイパーチャージ場との間の運動学的混合を伴います。作用する演算子は で、 は暗黒光子場の場の強度テンソル、は標準モデルの弱いハイパーチャージ場の場の強度テンソルを表します。この項は、ゲージ対称性によって許容されるすべての項を書き出すことによって自然に生じます。電弱対称性の破れと場の再定義による場の強度テンソル（運動項）を含む項の対角化の後、ラグランジアンの関連項は次のようになる。 ${\displaystyle A^{\prime }}$${\displaystyle F_{\mu \nu }^{\prime }B^{\mu \nu }}$${\displaystyle F_{\mu \nu }^{\prime }}$${\displaystyle B^{\mu \nu }}$

$${\displaystyle {\mathcal {L}}\supset -{\frac {1}{4}}F^{\prime \mu \nu }F_{\mu \nu }^{\prime }+{\frac {1}{2}}m_{A^{\prime }}^{2}A^{\prime \mu }A_{\mu }^{\prime }+\epsilon eA^{\prime \mu }J_{\mu }^{EM}}$$

ここで、 は暗黒光子の質量（この場合、ヒッグス機構またはシュテッケルベルク機構によって生成されると考えられる）、は運動混合の強さを記述するパラメータ、 は結合した電磁気流を表す。したがって、このモデルの基本パラメータは、暗黒光子の質量と運動混合の強さである。他のモデルでは、新しい U(1) ゲージ対称性が破られず、質量のない暗黒光子が長距離相互作用を担うことになる。^{[12] [13]この理論では、新しいディラックフェルミオンを暗黒物質粒子として組み込むことは複雑ではなく、}ディラック項をラグランジアンに加えるだけで実現できる。 ^[14]ただし、質量のない暗黒光子は標準モデルから完全に切り離され、それ自体では実験上の意味を持たない。^{[15]モデル内に元々暗黒光子と相互作用していた粒子が追加された場合、その粒子は}ミリ電荷を帯びた粒子となり、直接探索できるようになる。 ^{[16] [17]}${\displaystyle m_{A^{\prime }}}$${\displaystyle \epsilon }$${\displaystyle J_{\mu }^{EM}}$${\displaystyle e}$

運動混合強度を持つ質量の大きい暗黒光子候補は、自発的に標準モデルの光子に変換される可能性があります。暗黒光子候補の質量に一致するように調整された共鳴周波数を持つ空洞を使用して、結果として生じる光子を捕捉できます。 ${\displaystyle \epsilon }$${\displaystyle hf=m_{A^{\prime }}c^{2}}$

キャビティ内の信号光子の存在を検出する 1 つの手法は、量子限界増幅器を使用してキャビティ フィールドを増幅することです。この方法は、アクシオン暗黒物質の探索で広く使用されています。ただし、線形増幅では、標準の量子限界によって課される実効ノイズを克服し、キャビティの平均個体数が 1 光子よりはるかに少ない暗黒光子候補を探索することは困難です。

キャビティ内の光子の数を数えることで、量子限界を覆すことが可能です。この技術は、シカゴ大学の研究者がフェルミ国立加速器研究所と共同で実証しました。^[18] この実験では、質量が24.86μeVを中心とする暗黒光子候補を除外し、超伝導量子ビットを使用して同じ光子を繰り返し測定しました。これにより、従来の線形増幅技術と比較して1,000倍以上の検索速度の向上が可能になりました。 ${\displaystyle \epsilon \geq 1.68\times 10^{-15}}$

MeV を超える暗黒光子の質量については、現在の制限は粒子加速器に基づく実験によって支配されています。衝突で生成された暗黒光子が主に陽電子対に崩壊すると仮定して、実験では暗黒光子の崩壊から生じる過剰な電子陽電子対を探します。平均すると、実験結果から、この仮想粒子は標準光子よりも少なくとも 1000 倍弱く 電子と相互作用する必要があることがわかります。

より詳しくは、陽子よりも質量が大きい（したがって質量が1 GeVより大きい）暗黒光子の場合、最良の制限は衝突型加速器実験から生じる。この粒子の探索にはいくつかの実験装置が利用されてきたが、^[19]注目すべき例としては、BaBar実験、^[10]またはLHCb ^[20]とLHCでのCMS実験がある。中間の質量（おおよそ電子と陽子の質量の中間）の暗黒光子の場合、最良の制約は固定ターゲット実験から生じる。例えば、ジェファーソン研究所の重光子探索（HPS）実験^[21]では、この粒子を探索するために数GeVの電子をタングステンターゲットフォイルに衝突させている。

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