|
Как темные фотоны могут стать темной материей
|
|
|
|
В недавней статье Physical Review Letters исследователи представили новый механизм, который, возможно, позволит считать сверхлегкие темные фотоны серьезными кандидатами на роль темной материи, что может иметь многообещающие последствия для усилий по обнаружению.
|
|
|
|
Считается, что около 85% всей материи составляет темная материя, однако эта неуловимая субстанция продолжает озадачивать ученых, поскольку ее невозможно наблюдать непосредственно.
|
|
|
|
Одним из кандидатов на роль частиц темной материи являются темные фотоны. Эти гипотетические частицы похожи на обычные фотоны, но обладают массой и слабо взаимодействуют с обычной материей.
|
|
|
|
Однако теоретическому прогрессу в моделировании темной материи на основе темных фотонов препятствует "кинетическое перемешивание".
|
|
|
|
Темные фотоны в ранней Вселенной часто образовывали космические струнные сети из-за кинетического смешивания с обычными фотонами, что препятствовало их выживанию в виде отдельных частиц темной материи.
|
|
|
|
Эти струноподобные структуры не могут гравитационно скапливаться, образуя гало галактик, или воспроизводить сигнатуры темной материи, которые мы наблюдаем, что, по сути, лишает их возможности считаться жизнеспособными кандидатами в темную материю.
|
|
|
|
|
|
|
Исследователи Дэвид Цинцинатес (David Cyncynates) из Вашингтонского университета и Закари Вайнер (Zachary Weiner) из Института теоретической физики Периметра (Perimeter Institute for Theoretical Physics) предложили новое решение, которое могло бы преодолеть это фундаментальное ограничение.
|
|
|
|
"Я был поражен недавним исследованием, в котором предполагалось, что многие предлагаемые модели темных фотонов могут не работать в качестве темной материи", - сказал Цинцинатес Phys.org.
|
|
|
|
"В связи с этим возникает вопрос: все ли подобные модели действительно исключены, или мы можем найти сценарии, которые все еще работают, особенно те, которые могут быть проверены в экспериментах следующего поколения?"
|
|
Освобождение от космических струн
|
|
|
|
Проблема космических струн возникает из—за того, что темные фотоны обычно приобретают свою массу с помощью механизма, аналогичного тому, как обычные частицы приобретают массу, - посредством взаимодействия с полем, называемым темным полем Хиггса.
|
|
|
|
Когда этот процесс происходит на ранних стадиях развития Вселенной при высокой плотности, темные фотоны оказываются запертыми в длинные струноподобные конфигурации, которые растягиваются на космические расстояния.
|
|
|
|
"Темные фотоны хотят собираться в космические струны, когда они достаточно плотны в космосе", - сказал Вайнер журналистам. Phys.org . "Высокой плотности трудно избежать, поскольку любой кандидат в темную материю должен был впервые образоваться в начале космической истории, когда Вселенная была намного плотнее".
|
|
|
|
Ключевым моментом нового исследования является "выбор времени". Отложив производство темных фотонов на гораздо более поздний период космической истории, исследователи обнаружили, что они могут избежать условий плотности, которые приводят к образованию космических струн.
|
|
|
|
"Наша модель стремилась свести к минимуму этот эффект, отодвигая период, в который образуются темные фотоны, как можно позже — как раз вовремя, чтобы они могли сыграть свою роль холодной темной материи при формировании анизотропии космического микроволнового фона", - пояснил Вайнер.
|
|
|
|
Модель исследователей вводит скалярное поле, которое эволюционирует с течением космического времени, эффективно изменяя параметры теории по мере старения Вселенной. Это поле подавляет массу темных фотонов в ранней Вселенной, а затем позволяет ей расти в процессе, называемом тахионной нестабильностью.
|
|
|
|
Этот механизм замедленного производства работает за счет того, что исследователи называют "потенциалом убегания". По мере эволюции скалярного поля оно создает условия, при которых поперечные моды темных фотонов становятся нестабильными и растут экспоненциально, создавая изобилие темной материи, которое мы наблюдаем сегодня.
|
|
|
|
"Фокус в том, что это новое поле делает темные фотоны в ранней Вселенной намного легче, чем они есть сегодня, что облегчает их получение по сравнению с другими сценариями", - сказал Цинцинатес.
|
|
|
|
Это открывает новые возможности для обнаружения
|
|
|
|
"Простейший сценарий, при котором темные фотоны образуются во время инфляции, работает только в том случае, если они почти полностью невидимы для обычной материи, что является плохой новостью для обнаружения", - отметил Цинцинатес.
|
|
|
|
"В этом случае темный фотон может избежать более сильных взаимодействий, что открывает возможности для обнаружения в лабораторных экспериментах".
|
|
|
|
Исследователи определили несколько предстоящих экспериментов, которые могли бы обнаружить предсказанные ими темные фотоны. К ним относятся поисковые системы на основе резонаторов, которые используют сверхчувствительные детекторы в экранированных средах для улавливания слабых сигналов, создаваемых темными фотонами.
|
|
|
|
"Такие эксперименты, как DM-Radio, ALPHA, Dark E-field и MADMAX, могут обнаружить темные фотоны, которые предсказывает наша модель", - сказал Цинцинатес.
|
|
|
|
В некоторых экспериментах используются радиочастотные методы для поиска превращений темных фотонов, в то время как другие полагаются на то, как свет ведет себя внутри плазмы, чтобы обеспечить резонансное преобразование темных фотонов в обычные фотоны.
|
|
|
|
Механизм запоздалого получения, не поддающийся лабораторному обнаружению, создает отличительные признаки формирования космических структур. Запоздалое получение приводит к созданию улучшенных мелкомасштабных структур, в том числе мини-гало с характерными массами и размерами, которые можно будет наблюдать с помощью будущих телескопов.
|
|
|
|
"Будущие телескопы могли бы увидеть намеки на улучшенную мелкомасштабную структуру, характерную для нашего проекта, например, через колебания в движении или яркости звезд", - пояснил Вайнер.
|
|
|
|
"Но прямое обнаружение в лаборатории было бы важным доказательством того, что наблюдаемый астрофизический сигнал на самом деле вызван темными фотонами темной материи".
|
|
|
|
Усиленное структурообразование возникает из-за того, что темные фотоны, произведенные в конце космической истории, сохраняют память о процессе образования, создавая колебания плотности, которые отсутствуют в обычных моделях темной материи.
|
|
Выводы на будущее
|
|
|
|
В исследовании представлены конкретные экспериментальные цели и наблюдаемые прогнозы, которые могут послужить руководством для будущих поисков темной материи.
|
|
|
|
Предложенная модель фокусируется на том, что темные фотоны приобретают массу с помощью темной версии механизма Хиггса, аналогично тому, как обычные частицы, такие как W- и Z-бозоны, получают свою массу. Однако исследователи отмечают, что альтернативные механизмы генерации массы могут сталкиваться с другими ограничениями.
|
|
|
|
"Альтернативная возможность, так называемая масса Штюкельберга, может быть не столь сильно ограничена, но в настоящее время неизвестно, образуются ли космические струны и как они ведут себя в этом случае", - сказал Вайнер.
|
|
|
|
Исследователи полагают, что их модель открывает новое пространство параметров, которое ранее считалось исключенным, давая новую надежду на обнаружение одного из самых интересных кандидатов в темную материю.
|
|
|
|
Источник
|
