|
Новый подход к обнаружению частиц темной материи
|
|
|
|
В настоящее время известно, что вся известная материя, т.е. изученная наукой и используемая технологиями, составляет лишь 5% содержимого Вселенной. Остальное состоит из двух неизвестных компонентов: темной материи (около 27%) и темной энергии (около 68%). Этот расчет, подтвержденный десятилетия назад, продолжает удивлять как обывателей, так и ученых.
|
|
|
|
В случае с темной материей (ТМ) существует множество свидетельств того, что она действительно существует, и все это является результатом ее гравитационного взаимодействия с обычной материей. Эти свидетельства получены из таких источников, как кривые вращения звезд в галактиках, расхождения в движении галактик в скоплениях, формирование крупномасштабных структур во Вселенной и космическое фоновое излучение, которое равномерно распределено по всему пространству.
|
|
|
|
Несмотря на то, что мы знаем с высокой степенью уверенности, что DM существует, мы не знаем, что это такое. Несколько предложенных до сих пор моделей потерпели неудачу.
|
|
|
|
В новом исследовании ученых из Университета Сан-Паулу (USP) в Бразилии предлагается неупругая модель DM, которая взаимодействует с обычной материей через векторный посредник, подобный фотону, но обладающий массой. Цель состоит в том, чтобы открыть новое окно наблюдений. Статья на эту тему опубликована в журнале Journal of High Energy Physics.
|
|
|
|
"В этой работе мы рассматриваем модель DM, состоящую из темного сектора со светлыми частицами, которые слабо взаимодействуют с известными частицами стандартной модели [SM]", - говорит Ана Луиза Фогуэль, аспирантка Физического института (IF-USP) и первый автор статьи.
|
|
|
|
|
|
|
Первоначально поиск DM был сосредоточен на тяжелых кандидатах с массой, намного превышающей массу электрона, или даже на самых тяжелых частицах в SM. Идея заключалась в том, что из-за своей массы эти частицы не могли быть получены с помощью коллайдеров частиц, которые еще не обладали достаточной энергией. Однако, несмотря на эксперименты, проведенные на Большом адронном коллайдере (БАК) Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН, согласно ее официальной французской аббревиатуре), никаких новых частиц, кроме частиц SM, обнаружено не было.
|
|
|
|
В результате некоторые представители научного сообщества переключили свое внимание на поиск легких частиц с чрезвычайно слабыми взаимодействиями. Идея заключалась в том, что такие частицы еще не наблюдались, поскольку они очень слабо взаимодействуют с обычной материей. Чтобы исследовать признаки этих частиц, эксперименты должны были приблизиться к так называемому "пределу интенсивности", что означает, что они должны были бы измерять связи и взаимодействия с возрастающей точностью, чтобы обнаружить любые несоответствия, которые могли бы сигнализировать о существовании чего-то нового.
|
|
|
|
Термическое замораживание
|
|
|
|
Исследование продвигается в этом направлении.
|
|
|
|
"При рассмотрении новой модели DM в первую очередь необходимо знать, как удалось получить нужное количество такого компонента. Это количество теперь измеряется очень точно, например, с помощью данных о фоновом космическом излучении. Известно несколько механизмов, которые могли привести к образованию ТМ в ранней Вселенной. Одним из наиболее теоретически обоснованных является так называемое "тепловое вымораживание", - говорит Фогуэл.
|
|
|
|
В физике элементарных частиц и космологии термическое замораживание - это момент, когда определенные частицы отделяются от термальной ванны, что означает, что взаимодействий, которые превращают эти частицы в другие частицы SM, уже недостаточно. После этого момента, поскольку нет никаких процессов, которые могли бы изменить количество этих частиц, их количество "замерзает", оставаясь практически неизменным.
|
|
|
|
"Этот механизм интересен и хорошо известен, поскольку у нас есть несколько примеров частиц SM, количество которых было сгенерировано таким образом. Поэтому естественно предположить, что компоненты DM были сгенерированы аналогичным механизмом", - комментирует исследователь.
|
|
|
|
В соответствии с этим механизмом частицы-кандидаты на создание ДМ находятся в "термальной ванне" с частицами обычной материи вскоре после возникновения Вселенной. Другими словами, все частицы взаимодействуют очень быстро, чтобы достичь одинаковой температуры. По мере расширения и остывания Вселенной частицы теряют этот тепловой контакт. Этот процесс называется "замораживанием".
|
|
|
|
"Точный момент разделения зависит от вероятности взаимодействия между частицами DM и частицами SM. Эта вероятность параметризуется переменной, которую мы называем ударным сечением сигмы. Если сигма очень мала, частицы DM распадаются очень рано и их количество очень велико. И наоборот, если он очень большой, DM дольше остается в тепловом контакте, аннигилируя на частицы SM, так что, когда он отделяется позже, его количество оказывается недостаточным", - указывает Фогуэл.
|
|
|
|
В случае легкого DM взаимодействие с обычной материей происходит через портал. Другими словами, частицы DM взаимодействуют не со всеми частицами SM напрямую, а с частицей-посредником, которая облегчает взаимодействие между DM и SM. Сигма-ударная часть этого взаимодействия пропорциональна массе DM и обратно пропорциональна массе портальной частицы.
|
|
|
|
Таким образом, для существования легкого кандидата на энергетическом уровне ниже гигаэлектронвольт портал не может быть слишком тяжелым. Следовательно, SM-бозоны, которые опосредуют слабые взаимодействия (W+, W- и Z0), не будут функционировать как порталы. Новая темная частица должна быть введена в качестве посредника между DM и SM.
|
|
|
|
"В нашей модели частица, которая обеспечивает связь между двумя секторами, является векторным бозоном (ZQ). Она ведет себя как фотон, частица, которая обеспечивает электромагнитные взаимодействия, но у нее есть масса. Кроме того, отличие этой модели в том, что этот медиатор также непосредственно взаимодействует с другими частицами SM", - говорит исследователь.
|
|
|
|
Этот посредник соединял бы частицы SM с частицами DM. Согласно предложенной модели, существует два типа этих частиц: стабильная частица (X1), которая сама по себе составляет DM, и немного более тяжелая нестабильная частица (X2). Эти частицы всегда будут взаимодействовать с ZQ-медиатором вместе. Другими словами, медиатор будет взаимодействовать с обоими одновременно. Это может привести к образованию особого типа DM, называемого "неупругой темной материей".
|
|
|
|
Кроме того, X2 может распадаться на X1 и SM-частицы. Эта работа демонстрирует, что эти механизмы могут объяснить обилие DM во Вселенной, обходя экспериментальные ограничения, которые препятствуют его обнаружению.
|
|
|
|
"Стоит отметить, что такие модели, как наша, с неупругим DM, интересны тем, что в дополнение к объяснению эффективной генерации DM с помощью механизма замораживания, они также позволяют обойти существующие ограничения прямого и косвенного обнаружения, а также ограничения космологии. Причина кроется в том факте, что, поскольку X2 нестабильно и взаимодействия зависят от X2, в эпоху рекомбинации не хватает X2 популяции для ввода энергии в плазму, что могло бы изменить фоновое космическое излучение.
|
|
|
|
- И в нынешней вселенной также нет "X2", которое могло бы распадаться или аннигилировать с "X1", производя сигналы, позволяющие проводить косвенное обнаружение. Более того, чтобы X1 взаимодействовал в экспериментах по прямому обнаружению, он должен был бы преобразоваться в X2, что очень сложно, потому что X2 более массивен", - объясняет Фогуэл.
|
|
|
|
Преодоление "ванильной" модели
|
|
|
|
По словам исследователя, предложенная новая модель послужила бы альтернативой "простой" модели неупругого DM, в которой рассматривается медиатор, который не взаимодействует напрямую с частицами DM. В физике элементарных частиц термин "ванильный" используется для обозначения самой базовой и минималистичной версии модели с наименьшим количеством возможных теоретических компонентов.
|
|
|
|
"Ванильная модель уже практически исключена, потому что почти все параметры, которые воспроизводят правильное содержание DM, были отброшены в ходе экспериментальных поисков. Таким образом, основная цель нашей работы состояла в том, чтобы показать, что, рассмотрев простую модификацию этой модели, позволяющую использовать медиаторы с прямыми, а не непрямыми соединениями, мы потенциально можем "сэкономить" неэластичный DM", — объясняет Фогуэль.
|
|
|
|
"Рассматривая предложенные модели, мы сначала рассчитали количество DM, используя процесс замораживания, и опубликовали онлайн-код, который позволяет воспроизводить эти расчеты, показывая области пространства параметров, которые создают неэластичный DM при различных вариантах Q-нагрузки, с правильным содержанием. После этого мы сосредоточились на границах различных экспериментов.
|
|
|
|
"Мы пришли к выводу, что для определенных моделей "разблокированы" новые области пространства параметров, то есть есть параметры, которые воспроизводят правильное содержание DM и еще не были исключены. Некоторые из этих областей параметров могут быть исследованы в будущих экспериментах".
|
|
|
|
Рената Зуканович Фуншал (Renata Zukanovich Funchal), профессор IF-USP, советник Фогуэля, координатор исследования и соавтор статьи, резюмирует: "Использование более общих векторных посредников открывает новые возможности для создания жизнеспособных моделей неупругого DM с прямыми последствиями для скорости распада, экспериментальных характеристик и космологических характеристик."
|
|
|
|
Источник
|
