HYPER (Highly Interactive ParticlE Relics) – naujas tamsiosios medžiagos modelis


Astrofizikos erdvės tamsiosios medžiagos koncepcija

Tyrėjų komanda dabar pasiūlė naują tamsiosios medžiagos kandidatą: HYPER arba „Highly Interactive ParticlE Relics“.

Fazinis perėjimas ankstyvojoje visatoje keičia tamsiosios ir normaliosios materijos sąveikos stiprumą.

Tamsioji medžiaga išlieka viena didžiausių šiuolaikinės fizikos paslapčių. Aišku, kad ji turi egzistuoti, nes be tamsiosios materijos, pavyzdžiui, galaktikų judėjimas negali būti paaiškintas. Tačiau eksperimento metu niekada nebuvo įmanoma aptikti tamsiosios medžiagos.

Šiuo metu yra daug pasiūlymų naujiems eksperimentams: jais siekiama aptikti tamsiąją medžiagą tiesiogiai per jos sklaidą iš aptikimo terpės atominių branduolių sudedamųjų dalių, ty protonų ir neutronų.

Mokslininkų komanda – Robertas McGehee ir Aaronas Pierce’as iš Mičigano universiteto ir Gilly Elor iš Mainco Johaneso Gutenbergo universiteto Vokietijoje – dabar pasiūlė naują kandidatą į tamsiąją medžiagą: HYPER arba „Highly Interactive ParticlE Relics“.

HYPER modelyje, kažkada po tamsiosios materijos susidarymo ankstyvojoje visatoje, jos sąveikos su normalia medžiaga stiprumas staigiai padidėja – tai, viena vertus, šiandien gali būti aptinkama ir tuo pat metu gali paaiškinti tamsiosios medžiagos gausą. reikalas.

Hablo tamsiosios medžiagos žemėlapis Abelis 1689 m

Šis NASA Hablo kosminio teleskopo vaizdas rodo tamsiosios medžiagos pasiskirstymą milžiniško galaktikų spiečiaus Abell 1689, kuriame yra apie 1000 galaktikų ir trilijonų žvaigždžių, centre.
Tamsioji materija yra nematoma materijos forma, kuri sudaro didžiąją visatos masės dalį. Hablas negali matyti tamsiosios medžiagos tiesiogiai. Astronomai nustatė jo vietą analizuodami gravitacinio lęšio poveikį, kai šviesą iš galaktikų už Abell 1689 iškraipo klasteryje įsiterpia medžiaga.
Tyrėjai naudojo 42 fono galaktikų 135 objektyvų vaizdų pastebėtas padėtis, kad apskaičiuotų tamsiosios medžiagos vietą ir kiekį klasteryje. Jie uždėjo mėlynai nuspalvintą šių numanomų tamsiosios medžiagos koncentracijų žemėlapį ant klasterio vaizdo, kurį padarė Hablo pažangioji kamera tyrimams. Jei spiečiaus gravitacija kiltų tik iš matomų galaktikų, lęšių iškraipymai būtų daug silpnesni. Žemėlapis atskleidžia, kad tankiausia tamsiosios medžiagos koncentracija yra klasterio šerdyje.
Abell 1689 yra 2,2 milijardo šviesmečių nuo Žemės. Nuotrauka daryta 2002 m. birželį.
Autoriai: NASA, ESA, D. Coe (NASA Jet Propulsion Laboratory / Kalifornijos technologijos institutas ir Kosminio teleskopo mokslo institutas), N. Benitezas (Andalūzijos Astrofizikos institutas, Ispanija), T. Broadhurst (Baskų krašto universitetas, Ispanija) ir H. Fordas (Johnso Hopkinso universitetas)

Nauja įvairovė tamsiosios medžiagos sektoriuje

Kadangi sunkiosios tamsiosios medžiagos dalelių, arba vadinamųjų WIMPS, paieškos dar nepasiekė sėkmės, mokslininkų bendruomenė ieško alternatyvių tamsiosios medžiagos dalelių, ypač lengvesnių. Tuo pačiu metu paprastai tikimasi fazių perėjimų tamsiajame sektoriuje – juk matomame sektoriuje jų yra keletas, teigia mokslininkai. Tačiau ankstesni tyrimai buvo linkę jų nepaisyti.

„Nėra nuoseklaus tamsiosios medžiagos modelio masės diapazonui, kurį tikisi pasiekti kai kurie planuojami eksperimentai. “Tačiau mūsų HYPER modelis iliustruoja, kad fazių perėjimas iš tikrųjų gali padėti lengviau aptikti tamsiąją medžiagą”, – sakė JGU teorinės fizikos mokslų daktaras Eloras.

Tinkamo modelio iššūkis: jei tamsioji medžiaga pernelyg stipriai sąveikauja su normalia medžiaga, jos (tiksliai žinomas) kiekis, susidaręs ankstyvojoje visatoje, būtų per mažas, o tai prieštarautų astrofiziniams stebėjimams. Tačiau, jei jos pagaminama tik reikiamu kiekiu, sąveika, atvirkščiai, būtų per silpna, kad būtų galima aptikti tamsiąją medžiagą šiuolaikiniuose eksperimentuose.

„Mūsų pagrindinė mintis, kuria grindžiamas HYPER modelis, yra ta, kad sąveika staiga pasikeičia vieną kartą, kad galėtume turėti geriausią iš abiejų pasaulių: reikiamą tamsiosios medžiagos kiekį ir didelę sąveiką, kad galėtume ją aptikti“, – sakė McGehee.

Tyrėjai tai įsivaizduoja taip: dalelių fizikoje sąveiką paprastai tarpininkauja konkreti dalelė, vadinamasis tarpininkas, taip pat tamsiosios medžiagos sąveika su normalia medžiaga. Tamsiosios medžiagos susidarymas ir jos aptikimas veikia per šį tarpininką, o sąveikos stiprumas priklauso nuo jos masės: kuo didesnė masė, tuo silpnesnė sąveika.

Pirmiausia tarpininkas turi būti pakankamai sunkus, kad susidarytų tinkamas tamsiosios medžiagos kiekis, o vėliau pakankamai šviesus, kad tamsioji medžiaga iš viso būtų aptikta. Sprendimas: susidarius tamsiajai medžiagai įvyko fazinis perėjimas, kurio metu mediatoriaus masė staiga sumažėjo.

„Taigi, viena vertus, tamsiosios medžiagos kiekis išlaikomas pastovus, kita vertus, sąveika sustiprėja arba sustiprinama taip, kad tamsioji medžiaga turėtų būti tiesiogiai aptinkama“, – sakė Pierce’as.

Naujasis modelis apima beveik visą planuojamų eksperimentų parametrų diapazoną

“HYPER tamsiosios medžiagos modelis gali apimti beveik visą diapazoną, kurį nauji eksperimentai daro prieinamą”, – sakė Eloras.

Konkrečiai, tyrėjų grupė pirmiausia manė, kad maksimalus tarpininko sukeltos sąveikos su atomo branduolio protonais ir neutronais skerspjūvis atitinka astrologinius stebėjimus ir tam tikrus dalelių fizikos skilimus. Kitas žingsnis buvo apsvarstyti, ar yra tamsiosios medžiagos modelis, rodantis šią sąveiką.

„Ir čia mes sugalvojome fazinio perėjimo idėją“, – sakė McGehee. „Tada mes apskaičiavome visatoje egzistuojančios tamsiosios medžiagos kiekį ir tada, naudodami savo skaičiavimus, imitavome fazių perėjimą.

Reikia atsižvelgti į daugybę apribojimų, pavyzdžiui, nuolatinį tamsiosios medžiagos kiekį.

„Čia turime sistemingai apsvarstyti ir įtraukti labai daug scenarijų, pavyzdžiui, užduodami klausimą, ar tikrai neabejotina, kad mūsų tarpininkas staiga nesukelia naujos tamsiosios medžiagos susidarymo, o tai, žinoma, neturi būti“, – sakė Eloras. . „Tačiau galiausiai buvome įsitikinę, kad mūsų HYPER modelis veikia.

Tyrimas publikuojamas žurnale Fizinės apžvalgos laiškai.

Nuoroda: Gilly Elor, Robert McGehee ir Aaron Pierce „Tiesioginio aptikimo maksimizavimas naudojant labai interaktyvią dalelių reliktą tamsiąją medžiagą“, 2023 m. sausio 20 d. Fizinės apžvalgos laiškai.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.130.031803