Generalized Chiral $U(1)_{B-L}$: Towards a Less Constrained $Z'$ and Dark Matter

Het universum is gevuld met onzichtbare dingen. We weten dat donkere materie bestaat omdat de zwaartekracht ervan sterrenstelsels bij elkaar houdt, maar we hebben nog nooit een enkel deeltje ervan gezien. We weten ook dat neutrino's, die spookachtige deeltjes die door alles heen stromen, massa hebben, ook al zeggen de standaardregels van de natuurkunde dat ze gewichtloos zouden moeten zijn. Deze twee mysteries — de aard van de donkere materie die het kosmos vult en de oorsprong van de minuscule massa's van neutrino's — suggereren dat ons huidige begrip van de subatomaire wereld incompleet is. Natuurkundigen proberen dit al lang te verhelpen door zich nieuwe krachten en nieuwe deeltjes voor te stellen die beide puzzels tegelijkertijd kunnen verklaren. Een populair idee houdt in dat er een nieuwe, onzichtbare krachtdrager wordt toegevoegd, een deeltje dat lijkt op het foton maar zwaarder is, wat als een brug kan fungeren tussen de zichtbare wereld en de verborgen donkere sector. Wanneer wetenschappers echter zoeken naar deze zware deeltjes in de krachtigste deeltjesversnellers ter wereld, vinden ze niets. Het gebrek aan ontdekkingen heeft strikte grenzen gesteld aan hoe zwaar deze nieuwe deeltjes kunnen zijn en hoe sterk ze kunnen interageren met gewone materie.

Een team van onderzoekers heeft nu een slimme manier voorgesteld om deze strikte grenzen te versoepelen zonder de regels van de natuurkunde te breken. Door de manier waarop de nieuwe kracht met verschillende soorten deeltjes interageert licht te veranderen, toonden zij aan dat de nieuwe krachtdrager veel lichter en talrijker zou kunnen zijn dan voorheen gedacht, waardoor hij onopgemerkt blijft voor huidige detectoren. Hun werk, dat ook verklaart hoe neutrino's hun massa krijgen en een kandidaat voor donkere materie biedt, suggereert dat het universum wellicht een nieuwe laag complexiteit verbergt waar we simpelweg op de verkeerde manier naar hebben gezocht.

De onderzoekers concentreerden zich op een theoretisch kader dat een nieuwe symmetrie toevoegt aan het standaardmodel van de deeltjesfysica. In dit model wordt een nieuwe kracht gedragen door een zwaar deeltje genaamd een Z-prime bosonen. Om deze theorie wiskundig te laten werken zonder absurde resultaten te produceren, moeten de ladingen van alle deeltjes onder deze nieuwe kracht perfect in evenwicht zijn. In eerdere versies van dit idee werden de ladingen zodanig toegewezen dat de Z-prime bosonen frequent vervielen in paren geladen leptonen, zoals elektronen of muonen. Omdat deze vervalproducten gemakkelijk te detecteren zijn, hebben experimenten bij de Large Hadron Collider veel versies van deze theorie kunnen uitsluiten, waardoor de mogelijke massa van de Z-prime bosonen naar zeer hoge waarden werd gedreven.

Het team realiseerde zich dat zij, door de toewijzing van de ladingen te generaliseren, het gedrag van de Z-prime bosonen konden veranderen. Ze introduceerden een flexibele wiskundige structuur waarbij de ladingen van de deeltjes niet vastliggen aan één enkel patroon, maar kunnen variëren op basis van twee aanpasbare parameters. Door specifieke waarden voor deze parameters te kiezen, vonden ze een configuratie waarbij de Z-prime bosonen nog steeds alle wiskundige vergelijkingen in evenwicht houden, maar in de echte wereld heel anders reageren. In deze nieuwe opstelling heeft de Z-prime bosonen de voorkeur om te vervallen in onzichtbare deeltjes, specifelijk rechtshandige neutrino's, in plaats van in de geladen leptonen waar detectoren op zijn ontworpen. Deze verschuiving in gedrag is cruciaal. Omdat het deeltje nu ongeveer negentig procent van de tijd vervalt in onzichtbare kanalen, wordt het signaal waar experimenten naar zoeken extreem zwak. Dit stelt de Z-prime bosonen in staat om bij veel lagere massa's en met sterkere interacties te bestaan dan voorheen toegestaan, waardoor ze effectief langs de strikte beperkingen van huidige deeltjeszoektochten glippen.

Deze nieuwe ladingsstructuur lost ook het probleem van de neutrino-massa's op. Het model introduceert een mechanisme waarbij neutrino's massa verwerven via een proces dat betrokken is bij zware, onzichtbare deeltjes en een nieuw scalair veld. Interessant genoeg betekent de specifieke ladingsverdeling dat slechts twee van de drie soorten rechtshandige neutrino's deelnemen aan dit massa-genererende proces, waardoor één neutrino massaloos blijft. Deze uitkomst komt overeen met de huidige waarnemingen, die suggereren dat ten minste één soort neutrino geen massa heeft. Bovendien bevat het model op natuurlijke wijze een stabiele kandidaat voor donkere materie. De onderzoekers introduceerden een nieuw scalair deeltje dat een specifieke lading draagt onder de nieuwe kracht. Vanwege de manier waarop de ladingen zijn gerangschikt, kan dit deeltje niet vervallen in iets anders, wat het stabiel maakt over de levensduur van het universum. Deze stabiliteit wordt bereikt zonder dat er een extra, willekeurige regel hoeft te worden uitgevonden om het deeltje te beschermen, wat de theorie eleganter en zelfconsistent maakt.

De onderzoekers testten vervolgens of deze kandidaat voor donkere materie de controle van andere experimenten kon doorstaan. Ze ontdekten dat als de deeltjes van donkere materie alleen via de nieuwe krachtdrager zouden interageren, er een conflict zou ontstaan. Dezelfde eigenschappen die de Z-prime bosonen moeilijk detecteerbaar maken bij deeltjesversnellers, zouden er ook voor zorgen dat de donkere materie te sterk interageert met normale materie, wat in strijd is met de limieten die zijn gesteld door ondergrondse detectoren die zoeken naar botsingen van donkere materie. Om dit op te lossen, voegde het team de effecten van de nieuwe scalaire deeltjes toe aan het gedrag van de donkere materie. Deze scalaire deeltjes bieden aanvullende manieren voor donkere materie om te annihileren, of elkaar te vernietigen, in het vroege universum. Dit extra pad stelt de donkere materie in staat om de juiste abundantie te bereiken die vandaag de dag wordt waargenomen, zonder dat zij te sterk met normale materie hoeft te interageren.

Het resultaat is een breed en levensvatbaar bereik aan mogelijkheden voor het deeltje van donkere materie. Het model staat donkere materie-massa's toe die variëren van ongeveer zestig GeV tot tien TeV, een bereik dat veel mogelijkheden bestrijkt die eerder waren uitgesloten. Dit bereik voldoet aan de vereisten voor de hoeveelheid donkere materie in het universum, de limieten van directe detectie-experimenten en de beperkingen van deeltjesversnellers en precisie-metingen van de zwakke kracht. Het werk laat zien dat een gegeneraliseerde benadering van de ladingen van deeltjes tegelijkertijd de beperkingen op nieuwe krachtdragers kan versoepelen, het ontstaan van neutrino-massa's kan verklaren en een levensvatbare kandidaat voor donkere materie kan bieden. Het suggereert dat de volgende doorbraak in het begrijpen van het donkere universum misschien niet voortkomt uit het vinden van een zwaarder deeltje, maar uit het besef dat de deeltjes waarnaar we zoeken zich verbergen achter een andere set regels dan we verwachtten.