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Materia especular

En física teórica , la materia espejo , también llamada materia sombra o materia Alice , es una contraparte hipotética de la materia ordinaria que refleja las propiedades de la ...

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En física teórica , la materia espejo , también llamada materia sombra o materia Alice , es una contraparte hipotética de la materia ordinaria que refleja las propiedades de la materia ordinaria pero interactúa con ella solo a través de la gravedad o la interacción débil . [ 1 ]

Descripción general

La física moderna se ocupa de tres tipos básicos de simetría espacial : reflexión , rotación y traslación . Las partículas elementales conocidas respetan la simetría rotacional y la traslacional , pero algunas no respetan la simetría de reflexión especular (también llamada simetría P o paridad). De las cuatro interacciones fundamentales —electromagnetismo , interacción fuerte , interacción débil y gravedad— solo la interacción débil rompe la paridad.

La violación de la paridad en las interacciones débiles fue postulada por primera vez por Tsung-Dao Lee y Chen-Ning Yang [ 2 ] en 1956 como una solución al enigma τ-θ . En consulta con el físico experimental Chien-Shiung Wu se propusieron varias posibilidades para comprobar si la interacción débil era de hecho invariante bajo la paridad. Una de las sugerencias del grupo implicaba monitorizar la desintegración del cobalto-60 ,

2760Co→2860Ni+mi−+ν¯mi+2γ{\displaystyle {}_{27}^{60}{\text{Co}}\rightarrow {}_{28}^{60}{\text{Ni}}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+2{\gamma }}

para determinar si los electrones que emitía se irradiaban isotrópicamente , como los dos rayos gamma. Wu realizó este experimento en la Oficina Nacional de Estándares en Washington, D.C., después de nueve meses de trabajo. Contrariamente a la mayoría de las expectativas, en diciembre  de 1956 ella y su equipo observaron radiación electrónica anisotrópica, demostrando que las interacciones débiles de las partículas conocidas violan la paridad. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

Sin embargo, la simetría de paridad puede restaurarse como una simetría fundamental de la naturaleza si el contenido de partículas se amplía de modo que cada partícula tenga una compañera especular. La teoría en su forma moderna se describió en 1991, [ 9 ] aunque la idea básica se remonta a mucho antes. [ 2 ] [ 10 ] [ 11 ] Las partículas especulares interactúan entre sí de la misma manera que las partículas ordinarias, excepto que donde las partículas ordinarias tienen interacciones levógiras, las partículas especulares tienen interacciones dextrógiras. De esta manera, resulta que la simetría de reflexión especular puede existir como una simetría exacta de la naturaleza, siempre que exista una partícula "espejo" para cada partícula ordinaria. La paridad también puede romperse espontáneamente dependiendo del potencial de Higgs . [ 12 ] [ 13 ] Mientras que en el caso de simetría de paridad no rota las masas de las partículas son iguales a las de sus compañeras especulares, en el caso de simetría de paridad rota las compañeras especulares son más ligeras o más pesadas.

La materia espejo, de existir, interactuaría débilmente con la materia ordinaria. Esto se debe a que las fuerzas entre partículas espejo están mediadas por bosones espejo . Con la excepción del gravitón , ninguno de los bosones conocidos puede ser idéntico a sus contrapartes espejo. La única forma en que la materia espejo puede interactuar con la materia ordinaria mediante fuerzas distintas a la gravedad es a través de la mezcla cinética de bosones espejo con bosones ordinarios. Estas interacciones solo pueden ser muy débiles. Por lo tanto, se ha sugerido que las partículas espejo son candidatas a la materia oscura inferida en el universo. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]

En otro contexto, [ 19 ] se ha propuesto que la materia espejo dé lugar a un mecanismo de Higgs efectivo responsable de la ruptura de la simetría electrodébil . En tal escenario, los fermiones espejo adquieren masas del orden de 1 TeV ya que interactúan con una interacción de gauge adicional que no solo se vuelve fuerte alrededor de la escala de energía característica de las interacciones electrodébiles sino que también se unifica teóricamente con las interacciones del Modelo Estándar bajo una simetría de gauge mayor cerca de la escala de energía de Planck. Para enfatizar la distinción de este modelo de los anteriores, [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] estas partículas espejo se denominan habitualmente katoptrones [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] dentro del contexto del modelo de Katoptrón y se espera que decaigan en partículas del Modelo Estándar poco después de su creación.

Efectos de observación

Abundancia

La materia espejo podría haberse diluido a densidades imperceptiblemente bajas durante la época de inflación . Sheldon Glashow ha demostrado que si, a cierta escala de alta energía, existen partículas que interactúan fuertemente tanto con partículas ordinarias como con partículas espejo, las correcciones radiativas darán lugar a una mezcla entre fotones y fotones espejo. [ 22 ] Esta mezcla tiene el efecto de dar a las cargas eléctricas espejo una carga eléctrica ordinaria muy pequeña. Otro efecto de la mezcla fotón-fotón espejo es que induce oscilaciones entre positronio y positronio espejo. El positronio podría entonces convertirse en positronio espejo y luego decaer en fotones espejo.

La mezcla entre fotones y fotones especulares podría estar presente en diagramas de Feynman de nivel de árbol o surgir como consecuencia de correcciones cuánticas debidas a la presencia de partículas que portan cargas tanto ordinarias como especulares. En este último caso, las correcciones cuánticas deben anularse en los diagramas de Feynman de nivel de uno y dos bucles; de lo contrario, el valor predicho del parámetro de mezcla cinética sería mayor que el permitido experimentalmente. [ 22 ]

En noviembre de 2003 se estaba planificando un experimento para medir este efecto. [ 23 ]

materia oscura

Si la materia espejo existe en grandes abundancias en el universo y si interactúa con la materia ordinaria mediante la mezcla fotón-fotón espejo, entonces podría detectarse en experimentos de detección directa de materia oscura como DAMA/NaI y su sucesor DAMA/LIBRA . De hecho, es uno de los pocos candidatos a materia oscura que puede explicar la señal positiva de materia oscura de DAMA/NaI, siendo a la vez consistente con los resultados nulos de otros experimentos de materia oscura. [ 24 ] [ 25 ]

Efectos electromagnéticos

La materia espejo también puede detectarse en experimentos de penetración de campos electromagnéticos [ 26 ] y también tendría consecuencias para la ciencia planetaria [ 27 ] [ 28 ] y la astrofísica. [ 29 ]

Rompecabezas GZK

La materia espejo también podría ser responsable del enigma GZK . Los defectos topológicos en el sector espejo podrían producir neutrinos espejo que pueden oscilar a neutrinos ordinarios. [ 30 ] Otra posible forma de evadir el límite GZK es mediante oscilaciones neutrón-neutrón espejo. [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]

Efectos gravitatorios

Si la materia espejo está presente en el universo con suficiente abundancia, entonces sus efectos gravitacionales pueden detectarse. Dado que la materia espejo es análoga a la materia ordinaria, es de esperar que una fracción de ella exista en forma de galaxias espejo, estrellas espejo, planetas espejo, etc. Estos objetos pueden detectarse mediante microlentes gravitacionales . [ 35 ] También se esperaría que una fracción de las estrellas tuviera objetos espejo como compañeras. En tales casos, se deberían poder detectar desplazamientos Doppler periódicos en el espectro de la estrella. [ 17 ] Hay algunos indicios de que tales efectos ya podrían haberse observado. [ 36 ]

oscilaciones de neutrones a neutrones espejo

Los neutrones, que son partículas eléctricamente neutras de la materia ordinaria, podrían oscilar hacia su compañero espejo, el neutrón espejo. [ 37 ] Experimentos recientes buscaron neutrones que se desvanecieran en el mundo espejo. La mayoría de los experimentos no encontraron ninguna señal y, por lo tanto, dieron límites a las tasas de transición al estado espejo; [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] un artículo afirmó haber encontrado señales. [ 42 ] La investigación actual busca señales donde un campo magnético aplicado ajusta el nivel de energía del neutrón al mundo espejo. [ 43 ] [ 44 ] Esta diferencia de energía puede interpretarse debido a un campo magnético espejo presente en el mundo espejo o a una diferencia de masa entre el neutrón y su compañero espejo. [ 45 ] Dicha transición al mundo espejo también podría resolver el enigma de la vida media del neutrón. [ 46 ]

Se están llevando a cabo experimentos para buscar oscilaciones de neutrones espejo en la fuente UCN del Instituto Paul Scherrer [ 45 ] en Suiza, en el Instituto Laue-Langevin en Francia y a través de la Fuente de Neutrones por Espalación en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en los EE. UU. [ 44 ] [ 47 ].

Véase también

Referencias

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