Materia espejo - Mirror matter
En física , la materia espejo , también llamada materia de sombra o materia de Alice , es una contraparte hipotética de la materia ordinaria.
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 de rotación y traslación, pero 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, sólo la interacción débil rompe la paridad.
La violación de la paridad en interacciones débiles fue postulada por primera vez por Tsung Dao Lee y Chen Ning Yang en 1956 como una solución al rompecabezas τ-θ . Sugirieron una serie de experimentos para probar si la interacción débil es invariante bajo paridad. Estos experimentos se realizaron medio año después y confirmaron que las interacciones débiles de las partículas conocidas violan la paridad.
Sin embargo, la simetría de paridad se puede restaurar como una simetría fundamental de la naturaleza si el contenido de partículas se agranda para que cada partícula tenga un compañero espejo. La teoría en su forma moderna se describió en 1991, aunque la idea básica se remonta más atrás. Las partículas espejo interactúan entre sí de la misma manera que las partículas ordinarias, excepto donde las partículas ordinarias tienen interacciones con la mano izquierda, las partículas espejo tienen interacciones con la mano derecha. 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 . Mientras que en el caso de la simetría de paridad ininterrumpida, las masas de las partículas son las mismas que sus parejas espejo, en el caso de la simetría de paridad rota, las parejas espejo son más ligeras o más pesadas.
La materia espejo, si existe, necesitaría usar la fuerza débil para interactuar con la materia ordinaria. Esto se debe a que las fuerzas entre las partículas espejo están mediadas por bosones espejo . Con la excepción del gravitón , ninguno de los bosones conocidos puede ser idéntico a sus compañeros espejo. La única forma en que la materia espejo puede interactuar con la materia ordinaria a través de fuerzas distintas de la gravedad es mediante la mezcla cinética de bosones espejo con bosones ordinarios o mediante el intercambio de partículas Holdom . Estas interacciones solo pueden ser muy débiles. Por lo tanto, se ha sugerido que las partículas espejo son candidatas para la materia oscura inferida en el universo.
En otro contexto, se ha propuesto que la materia espejo da lugar a un mecanismo de Higgs eficaz responsable de la ruptura de la simetría electrodébil . En tal escenario, los fermiones espejo tienen masas del orden de 1 TeV ya que interactúan con una interacción adicional, mientras que algunos de los bosones espejo son idénticos a los bosones gauge ordinarios . Para enfatizar la distinción de este modelo de los anteriores, estas partículas espejo generalmente se llaman katoptrons .
Efectos de observación
Abundancia
La materia espejo podría haberse diluido a densidades inadvertidamente bajas durante la época de inflación . Sheldon Glashow ha demostrado que si a una escala de alta energía existen partículas que interactúan fuertemente tanto con partículas ordinarias como especulares, las correcciones radiativas conducirán a una mezcla entre fotones y fotones espejo . Esta mezcla tiene el efecto de dar a las cargas eléctricas del espejo una carga eléctrica ordinaria muy pequeña. Otro efecto de la mezcla fotón-fotón espejo es que induce oscilaciones entre el positronio y el positronio espejo. El positronio podría convertirse en positronio espejo y luego desintegrarse en fotones espejo.
La mezcla entre fotones y fotones espejo podría estar presente en los diagramas de Feynman a nivel de árbol o surgir como consecuencia de correcciones cuánticas debido a la presencia de partículas que portan cargas tanto ordinarias como especulares. En el último caso, las correcciones cuánticas tienen que desaparecer en los diagramas de Feynman de uno y dos bucles; de lo contrario, el valor predicho del parámetro de mezcla cinética sería mayor de lo permitido experimentalmente.
Actualmente se está planificando un experimento para medir este efecto.
Materia oscura
Si la materia espejo existe en gran abundancia en el universo y si interactúa con la materia ordinaria a través de la mezcla de fotón-espejo de fotón, entonces esto 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 DAMA / NaI sin dejar de ser consistente con los resultados nulos de otros experimentos de materia oscura.
Efectos electromagnéticos
La materia espejo también puede detectarse en experimentos de penetración de campos electromagnéticos y también tendría consecuencias para la ciencia planetaria y la astrofísica.
Rompecabezas GZK
La materia espejo también podría ser responsable del rompecabezas GZK . Los defectos topológicos en el sector del espejo podrían producir neutrinos espejo que pueden oscilar a neutrinos ordinarios. Otra forma posible de evadir el límite de GZK es a través de las oscilaciones neutrón-espejo neutrón.
Efectos gravitacionales
Si la materia espejo está presente en el universo con suficiente abundancia, entonces se pueden detectar sus efectos gravitacionales. Debido a que la materia espejo es análoga a la materia ordinaria, es de esperar que una fracción de la materia espejo exista en forma de galaxias espejo, estrellas espejo, planetas espejo, etc. Estos objetos pueden detectarse usando microlentes gravitacionales . También cabría esperar que alguna fracción de las estrellas tuvieran objetos espejo como compañeros. En tales casos, uno debería poder detectar cambios Doppler periódicos en el espectro de la estrella. Hay algunos indicios de que es posible que ya se hayan observado tales efectos.
Ver también
- Antimateria - Material compuesto por antipartículas de las correspondientes partículas de materia ordinaria.
- Energía oscura : propiedad desconocida en cosmología que hace que la expansión del universo se acelere.
- Materia oscura : forma hipotética de materia que comprende la mayor parte de la materia del universo
- Interacción gravitacional de la antimateria - teoría de la gravedad sobre la antimateria
- Espejo de la vida : versión hipotética del espejo de nuestra vida. No involucra partículas exóticas.
- Energía negativa - Concepto en física
- Masa negativa - Concepto en modelos físicos
- Materia extraña: materia degenerada hecha de quarks extraños
- Materia QCD : fases teorizadas de la materia cuyos grados de libertad incluyen quarks y gluones
Referencias
enlaces externos
- Una colección de artículos científicos sobre varios aspectos de la teoría de la materia espejo.
- Artículo sobre la materia espejo sobre h2g2
- R. Pie (2004). "Materia oscura tipo materia espejo". International Journal of Modern Physics D . 13 (10): 2161–2192. arXiv : astro-ph / 0407623 . Código bibliográfico : 2004IJMPD..13.2161F . doi : 10.1142 / S0218271804006449 . S2CID 16148721 .
- LB Okun (2007). "Partículas espejo y materia espejo: 50 años de especulación y búsqueda". Física-Uspekhi . 50 (4): 380–389. arXiv : hep-ph / 0606202 . Código bibliográfico : 2007PhyU ... 50..380O . doi : 10.1070 / PU2007v050n04ABEH006227 . S2CID 12137927 .
- ZK Silagadze (2001). "Gravedad a escala TeV, universo espejo y ... dinosaurios". Acta Physica Polonica B . 32 (1): 99-128. arXiv : hep-ph / 0002255 . Código bibliográfico : 2001AcPPB..32 ... 99S .