鏡の物質

物理学において、ミラー物質はシャドウマターやアリスマターとも呼ばれ、通常の物質の仮想的な対応物である。^[1]

現代物理学は、反射、回転、並進という3 つの基本的な空間対称性を扱っています。既知の素粒子は回転対称性と並進対称性を尊重しますが、鏡映対称性(P 対称性またはパリティとも呼ばれる)は尊重しません。4つの基本的な相互作用(電磁気、強い相互作用、弱い相互作用、重力)のうち、弱い相互作用だけがパリティを破ります。

弱い相互作用におけるパリティの破れは、1956年にTsung Dao LeeとChen Ning Yang ^{[2]によって}τ-θパズルの解決策として初めて提唱されました。実験物理学者のChien-Shiung Wuとの協議により、弱い相互作用が実際にパリティ不変であるかどうかをテストするためのいくつかの可能性が提案されました。グループの提案の1つは、コバルト60の崩壊を監視することでした。

${\displaystyle {}_{27}^{60}{\text{Co}}\rightarrow {}_{28}^{60}{\text{Ni}}+e^{-}+{\bar { \nu }}_{e}+2{\ガンマ }}$

ウーは9か月の研究を経て、ワシントンDCの国立標準局でこの実験を行った。ほとんどの予想に反して、1956年12月に彼女とチームは電子の異方性放射を観測し、既知の粒子の弱い相互作用がパリティに反することを証明した。^{[3] [4] [5] [6] [7] [8]}

しかし、粒子の内容を拡大してすべての粒子に鏡像のパートナーが存在するようにすれば、パリティ対称性は自然界の基本的な対称性として回復できる。この理論の現代的な形は 1991 年に発表されたが^[9]、基本的な考え方はさらに遡る。^{[2] [10] [11]}ミラー粒子は、通常の粒子と同じように相互作用するが、通常の粒子が左利きの相互作用をするのに対し、ミラー粒子は右利きの相互作用をする。このようにして、すべての通常の粒子に対して「鏡」粒子が存在する限り、鏡像反射対称性が自然の正確な対称性として存在できることがわかる。パリティは、ヒッグスポテンシャルに応じて自発的に破れることもある。^{[12] [13]}パリティ対称性が破れていない場合、粒子の質量はミラーパートナーと同じであるが、パリティ対称性が破れている場合、ミラーパートナーはより軽いか重い。

ミラー物質が存在する場合、その強度は通常の物質と弱い相互作用をするだろう。これは、ミラー粒子間の力がミラーボソンによって媒介されるためである。重力子を除いて、既知のボソンはどれもミラーパートナーと同一ではない。ミラー物質が重力以外の力を介して通常物質と相互作用する唯一の方法は、ミラーボソンと通常ボソンの運動学的混合によるものである。これらの相互作用は非常に弱いものしかあり得ない。そのため、ミラー粒子は宇宙に存在すると推定される暗黒物質の候補として提案されてきた。 ^{[14] [15] [16] [17] [18]}

別の文脈では、^{[19]ミラー物質が}電弱対称性の破れの原因となる効果的なヒッグス機構を生み出すと提案されている。そのようなシナリオでは、ミラーフェルミオンは追加のゲージ相互作用と相互作用するため、1 TeV のオーダーの質量を獲得し、電弱相互作用の特性エネルギースケール付近で強くなるだけでなく、プランクエネルギースケール付近のより大きなゲージ対称性の下で標準モデルの相互作用と理論的に統一される。このモデルと上記のモデルとの違いを強調するために、^{[14] [15] [16] [17] [18]}これらのミラー粒子は通常、カトプトロンモデルのコンテキスト内でカトプトロン^{[19] [20] [21]}と呼ばれ、生成後すぐに標準モデルの粒子に崩壊すると予想されます。

ミラー物質はインフレーション期に観測できないほど低い密度にまで希釈された可能性がある。シェルドン・グラショーは、高エネルギースケールで通常の粒子とミラー粒子の両方と強く相互作用する粒子が存在する場合、放射補正によって光子とミラー光子が混合することを示した。^{[22]この混合は、ミラー電荷に非常に小さな通常の電荷を与える効果を持つ。光子とミラー光子の混合のもう1つの効果は、}ポジトロニウムとミラーポジトロニウム間の振動を誘発することです。その後、ポジトロニウムはミラーポジトロニウムに変わり、その後ミラー光子に崩壊する可能性があります。

光子と鏡像光子の混合は、3レベルのファインマン図に存在するか、または通常の電荷と鏡像電荷の両方を持つ粒子の存在による量子補正の結果として発生する可能性がある。後者の場合、量子補正は1ループレベルと2ループレベルのファインマン図で消える必要があり、そうでなければ運動混合パラメータの予測値は実験的に許容される値よりも大きくなる。^[22]

この効果を測定する実験は2003年11月に計画されていた。^[23]

もしミラー物質が宇宙に大量に存在し、光子とミラー光子の混合によって通常の物質と相互作用するのであれば、DAMA/NaIやその後継機であるDAMA/LIBRAなどの暗黒物質直接検出実験で検出できる可能性がある。実際、これはDAMA/NaIの正の暗黒物質信号を説明できる数少ない暗黒物質候補の1つであり、同時に他の暗黒物質実験の無結果とも一致している。^{[24] [25]}

ミラー物質は電磁場透過実験でも検出される可能性があり^{[26] 、惑星科学[27] [28]}や天体物理学にも影響を及ぼす可能性がある。^[29]

ミラー物質はGZKパズル^{[壊れたアンカー]}の原因にもなり得る。ミラーセクターのトポロジカル欠陥はミラーニュートリノを生成し、それが通常のニュートリノに振動する可能性がある。 ^[30] GZK境界を回避するもう1つの方法は、中性子-ミラー中性子振動を経由する方法である。^{[31] [32] [33] [34]}

鏡像物質が宇宙に十分豊富に存在する場合、その重力効果を検出することができます。鏡像物質は通常の物質と類似しているため、鏡像物質の一部が鏡像銀河、鏡像星、鏡像惑星などの形で存在すると予想されます。これらの天体は重力マイクロレンズ効果を使用して検出できます。^[35]また、一部の星には鏡像天体が伴星として存在すると予想されます。そのような場合、星のスペクトルで周期的なドップラーシフトを検出できるはずです。 ^[17]このような効果がすでに観測されている可能性があることを示すヒントがいくつかあります。^[36]

通常の物質の電気的に中性な粒子である中性子は、その鏡像の相手である鏡像中性子に振動することができる。^[37]最近の実験では、鏡像の世界に消える中性子を探した。ほとんどの実験で信号が見つからなかったため、鏡像状態への遷移速度に制限が与えられた。 ^{[38] [39] [40] [41]}ある論文では信号があると主張した。^[42]現在の研究では、印加磁場が中性子のエネルギーレベルを鏡像の世界に調整する信号を探している。^{[43] [44]}このエネルギー差は、鏡像の世界に存在する鏡像磁場、または中性子とその鏡像の相手の質量差によるものと解釈できる。^[45]このような鏡像の世界への遷移は、中性子の寿命のパズルも解決できる可能性がある。^[46]

ミラー中性子振動の探索実験は、スイスのポール・シェラー研究所のUCN源^[45]、フランスのラウエ・ランジュバン研究所、米国のオークリッジ国立研究所のスパレーション中性子源^{[44] [47]で進行中である。}