2295
Темні фотони давно вважаються одним із провідних кандидатів на роль частинок темної матерії. Але нове дослідження, описане на порталі Universe Today, показує, що ці частинки могли залишитися непоміченими у значно ширшому діапазоні параметрів, ніж вважалося раніше.
Темна матерія, яка за теорією становить близько 85% маси Всесвіту, досі не виявлена безпосередньо. Її існування підтримують непрямі спостереження: криві обертання галактик, гало темної матерії, гравітаційне лінзування. Серед можливих частинок-кандидатів розглядають WIMP, первинні чорні діри, аксіони та так звані темні фотони.
У теорії темні фотони мали б взаємодіяти з «видимим» світом і могли відігравати роль у нагріванні раннього Всесвіту. Вважалося, що в гарячих хмарах нейтрального водню вони перетворювалися на звичайне світло, нагріваючи плазму. Якби це було так, процес залишив би помітні сліди, і значну частину можливих параметрів темних фотонів уже виключили з космологічних моделей.
Команда переглянула ключове припущення
Нове дослідження виконала міждисциплінарна команда під керівництвом професора Ансона Гука (Anson Hook) з Центру фундаментальної фізики Меріленда. До нього приєдналися старший постдокторант Цзюньву Хуан (Junwu Huang) та стипендіат Horizon AstroPhysics Initiative Мохамад Шалабі (Mohamad Shalaby) з Інституту теоретичної фізики Периметра в Університеті Ватерлу. Результати опубліковані в журналі Physical Review Letters.
Протягом років фізики припускали, що перетворення темних фотонів на звичайне випромінювання в ранньому Всесвіті відбувалося лінійно: енергія повільно переходила в плазму. Обчислення в такому наближенні давали дуже великий нагрів, що дозволяло накладати жорсткі обмеження на властивості темних фотонів і фактично «зачищати» значну частину параметричного простору.
Однак це вимагало колосальної кількості енергії, що погано узгоджувалося з космологічними моделями. Це й стало причиною спільної роботи Хуана, Гука та Шалабі, який спеціалізується на фізиці плазми.
Нелінійна плазма змінює картину
Дослідники провели комп’ютерні симуляції, щоб змоделювати, як енергія темних фотонів насправді поводиться в плазмі раннього Всесвіту. Виявилося, що стандартний лінійний підхід є неповним.
Симуляції показали: щойно енергія темних фотонів починає надходити в плазму, система переходить у сильно нелінійний режим. Плазма поводиться «бурхливо», і ці нелінійні ефекти фактично вимикають подальше перетворення енергії вже після дуже незначної частки переданої енергії. Тобто суттєвого нагрівання, на який спиралися попередні обмеження, не відбувається.
За словами Хуана, протягом останніх 15 років використовували саме лінійне наближення, яке давало надто великий перенос енергії. Новий аналіз показує, що така оцінка була завищеною, а поведінка плазми — набагато складніша.
Це не лише «тестовий кейс» для космології. Команда вказує, що багато астрофізичних систем — наприклад, магнітосфери нейтронних зір чи білих карликів — також аналізувалися з використанням подібних лінійних підходів. Тепер їх, можливо, доведеться переглянути.
Де тепер можуть ховатися темні фотони
Згідно з аналізом команди, звичні космологічні обмеження на темні фотони виявляються непридатними приблизно на десять порядків величини. Йдеться про частоти від близько 10⁻¹⁵ електрон-вольта (еВ) до 10⁻⁶ еВ, що приблизно відповідає кілогерцовому та гігагерцовому діапазонам радіоспектра.
Це величезна область параметричного простору, яку раніше вважали виключеною. Тепер вона знову стає доступною для пошуку темної матерії. За словами Шалабі, коректний розрахунок плазми раннього Всесвіту дозволить експериментам досліджувати нові діапазони параметрів і, можливо, вперше зафіксувати сигнали від таких частинок.
Дослідження є прикладом справжньої міждисциплінарності: воно поєднує фізику плазми та фізику елементарних частинок і безпосередньо впливатиме на те, як плануються й інтерпретуються експерименти з пошуку темної матерії.
Більше про темну матерію та пов’язані теми можна дізнатися у відео, на яке посилається Universe Today, доступному на платформі YouTube.
Моделювання показало нові схованки для темних фотонів з’явилася спочатку на Цікавості.
