Fotón Oscuro (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Fotón Oscuro

El fotón oscuro (o dark photon en inglés) es una partícula subatómica hipotética que aparece en teorías que extienden el Modelo Estándar para explicar fenómenos como la materia oscura y otras interacciones invisibles.

Sería análoga al fotón ordinario, pero que interactúa con una fuerza oscura que no afecta a las partículas conocidas del Modelo Estándar (o lo hace solo muy débilmente).

Así como el fotón es el portador de la fuerza electromagnética, el fotón oscuro sería el portador de una "fuerza oscura" que podría actuar sobre la materia oscura.

Características del Fotón Oscuro :

En la mayoría de los modelos:

• Tiene espín 1, como el fotón ordinario.
• Es neutro (sin carga eléctrica).
• Tiene una masa pequeña (puede ser incluso nula, según el modelo).
• Interactúa muy débilmente con la materia ordinaria, a través de un mecanismo llamado Mezcla Cinética.

Mezcla cinética

Es un proceso cuántico en el cual el fotón oscuro puede acoplarse débilmente al fotón ordinario, permitiendo que interactúe muy débilmente con partículas cargadas del Modelo Estándar.

Es decir:

Aunque el fotón oscuro no tiene carga eléctrica, puede "mezclarse" con el fotón normal, lo que permitiría que se detecte indirectamente.

 

Teorías que lo predicen:

El fotón oscuro aparece en varios marcos teóricos:

• Modelos de materia oscura: como mediador de una interacción oscura entre partículas de materia oscura.
• Extensiones gauge del Modelo Estándar: como un bosón gauge asociado a un grupo U(1)' adicional.
• Supersimetría y teorías de cuerdas: muchas versiones predicen sectores ocultos con partículas como el fotón oscuro.

Propiedades típicas del Fotón Oscuro:

Posibles formas para detectarlo:

• Colisionadores de partículas

Como LHC, Belle II, NA64 o LDMX, buscando eventos con energía faltante o producción de leptones inesperada.

• Experimentos de dispersión y rayos cósmicos

Buscan señales de interacción débil con electrones o protones.

• Detectores de materia oscura directa

Algunos modelos permiten que el fotón oscuro actúe como puente entre materia oscura y materia ordinaria.

• Experimentos con cavidades resonantes o láseres

Utilizados para buscar fotones oscuros de baja masa, similares a búsquedas de axiones.

Importancia de detectar el Fotón Oscura:

Si se descubre el fotón oscuro, implicaría:

• La existencia de fuerzas desconocidas en el universo.
• La presencia de un sector oscuro con estructura más compleja que una sola partícula de materia oscura.
• Nuevas formas de interacción entre materia oscura y materia visible.
• Una extensión natural del Modelo Estándar, similar a cómo el fotón emerge del electromagnetismo.

El fotón oscuro es una partícula hipotética similar al fotón, pero que interactúa con una fuerza oscura posiblemente responsable de la interacción entre partículas de materia oscura. Su interacción con la materia ordinaria sería extremadamente débil, pero detectable mediante mecanismos como la mezcla cinética. Es una pieza central en muchos modelos modernos que intentan explicar el 95% del universo que aún desconocemos.

Fermión de Majorana (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Fermión de Majorana

El fermión de Majorana es una de las ideas más profundas y elegantes en física teórica de partículas y física cuántica. Aunque su existencia no ha sido confirmada experimentalmente en partículas fundamentales, juega un rol crucial en varios campos, desde la física de neutrinos hasta la información cuántica.

Un fermión de Majorana es una partícula subatómica que es su propia antipartícula.

Fue propuesto en 1937 por el físico italiano Ettore Majorana como una alternativa a los fermiones de Dirac (como el electrón), que sí tienen una antipartícula distinta.

Observaciones:

En general un fermión de Dirac (como el electrón) tiene una antipartícula distinta (el positrón). Mientras que un fermión de Majorana es indistinguible de su antipartícula. Esto solo es posible para partículas neutras, ya que tener carga implicaría que la antipartícula tiene la carga opuesta.

La principal candidata a Fermión de Majorana es el neutrino. Si los neutrinos son de Majorana, entonces ellos y los antineutrinos serían la misma partícula.

Esto tendría implicaciones profundas para la violación del número leptónico, la asimetría materia-antimateria y el origen de la masa de los neutrinos.

Posible detección:

El experimento clave sería observar el decaimiento doble beta sin neutrinos

Este proceso solo puede ocurrir si el neutrino es una partícula de Majorana. Hasta hoy no se ha observado, pero hay experimentos en curso como GERDA, CUORE o KamLAND-Zen.

Propiedades del Fermión de Majorana:

Importancia de los Fermiones de Majorana:

• Explicación del origen de la masa de los neutrinos

El mecanismo de Seesaw predice que los neutrinos son de Majorana.

• Violación del número leptónico

Si existen, permiten procesos que cambian el número de leptones, lo que podría explicar por qué hay más materia que antimateria.

• Materia oscura

Algunos modelos de materia oscura contienen partículas de Majorana como candidatos.

• Computación cuántica topológica

En física del estado sólido, cuasipartículas tipo Majorana (en materiales especiales) se están investigando como qubits robustos frente a decoherencia.

Majorón (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Majorón

El majorón es una partícula subatómica hipotética, propuesta en ciertos modelos de física más allá del Modelo Estándar para explicar una posible propiedad de los neutrinos: que implicaría que puedan ser sus propias antipartículas.

En términos más técnicos el majorón es un bosón pseudoescalar neutro (sin carga eléctrica) que surge cuando se rompe espontáneamente una simetría global relacionada con el número leptónico en modelos donde los neutrinos son partículas de Majorana.

Es decir, aparece como una partícula asociada a la ruptura de simetría cuando los neutrinos tienen masa y son iguales a sus antipartículas.

Hay dos formas en que un neutrino puede tener masa:

• Como partícula de Dirac, con neutrino y antineutrino distintos (como el electrón).
• Como partícula de Majorana, en la cual el neutrino y su antipartícula son idénticos.

Si los neutrinos son de tipo Majorana, debe romperse el número leptónico, y esta ruptura puede generar un bosón llamado majorón, por analogía con los mesones pion en QCD.

Teorías que lo predicen:

• Modelo de Gelmini–Roncadelli (1981)

Introduce una nueva simetría global U(1)L asociada al número leptónico, y el majorón es el bosón de Nambu–Goldstone asociado a su ruptura espontánea.

• Modelos de Seesaw con simetría global rota

En estos modelos, el majorón también puede tener un pequeño acoplamiento con otras partículas.

• Extensiones supersimétricas y de cuerdas

Algunas predicen variantes del majorón que incluso podrían tener masa pequeña y ser candidatas a materia oscura.

Propiedades del Majorón:

Implicaciones de su posible existencia:

• Prueba indirecta de neutrinos de Majorana

Si se detectara el decaimiento doble beta sin neutrinos con emisión de un majorón, eso indicaría que los neutrinos son su propia antipartícula.

• Candidato a materia oscura

En ciertas versiones con majorones masivos y estables, se considera que podrían explicar parte de la materia oscura del universo.

• Fenómenos en el universo temprano

Su existencia podría influir en procesos de asimetría materia-antimateria (leptogénesis) o en la evolución térmica del cosmos.

 

Monopolo Magnético (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Monopolo Magnético

Un monopolo magnético es una partícula subatómica hipotética que poseería una sola carga magnética, o bien un "polo norte" aislado, o un "polo sur" aislado. En contraste, con todos los imanes conocidos en la naturaleza que siempre tienen un polo norte y un polo sur. Si se parte un imán, se obtienen dos imanes más pequeños, cada uno con ambos polos.

Teorías que lo predicen:

Los monopolos magnéticos no aparecen en el electromagnetismo clásico, pero varias teorías modernas los predicen:

1. Teoría cuántica de campos (Dirac, 1931)

Paul Dirac mostró que si existiera un solo monopolo magnético en el universo, entonces la carga eléctrica estaría cuantizada. Es decir: la razón por la que los electrones tienen una carga específica podría explicarse si los monopolos existieran.

2. Teorías de gran unificación (GUTs)

Modelos como SU(5) o SO(10) predicen naturalmente monopolos magnéticos cuando la simetría unificada se rompe en fases tempranas del universo. Estos serían muy masivos (más de 10^16 GeV), por lo tanto imposibles de crear en colisionadores actuales.

3. Teorías de cuerdas y gravedad cuántica

Algunas versiones de teoría de cuerdas y modelos con dimensiones extra también permiten estados tipo monopolo.

Propiedades del Monopolo:

Implicaciones de su posible existencia:

• Simetría en el electromagnetismo: actualmente las ecuaciones de Maxwell tratan de forma desigual la electricidad y el magnetismo. Con monopolos, las ecuaciones se vuelven completamente simétricas.
• Cuantización de la carga: La existencia de monopolos implicaría que todas las cargas eléctricas están cuantizadas (como predijo Dirac).
• Explicación del origen de los campos magnéticos cósmicos: Algunos modelos sugieren que los monopolos primordiales podrían haber influido en la formación de galaxias.
• Física más allá del Modelo Estándar: Su existencia implicaría que el Modelo Estándar está incompleto, y respaldaría teorías como GUTs o cuerdas.