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

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

Šiuo metu yra daug pasiūlymų dėl naujų eksperimentų: jais siekiama tiesiogiai aptikti tamsiąją medžiagą per jos sklaidą iš aptikimo terpės atominių branduolių komponentų, ty protonų ir neutronų.

Mokslininkų komanda – Robertas McGee ir Aaronas Pearce’as iš Mičigano universiteto ir Geli Elloras iš Johanneso Gutenbergo universiteto Maince (Vokietija) – pasiūlė naują tamsiosios medžiagos kandidatą: HYPER arba „labai interaktyvias dalelių relikvijas“.

HYPER modelyje, kažkada po tamsiosios materijos susiformavimo ankstyvojoje visatoje, jos sąveika su įprasta medžiaga staiga sustiprėjo – tai leidžia ją aptikti šiandien ir tuo pat metu gali paaiškinti jos tamsos gausą. Daiktas.

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 šviesa iš galaktikų už Abell 1689 yra iškraipoma dėl medžiagos trukdžių klasteryje.
Tyrėjai naudojo 135 objektyvų 42 fono galaktikų vaizdų pastebėtas padėtis, kad apskaičiuotų tamsiosios medžiagos vietą ir kiekį klasteryje. Mėlyna spalva numanomas tamsiosios medžiagos koncentracijas jie susiejo su Hablo pažangia tyrimams skirto fotoaparato nufotografuotu klasterio vaizdu. Jei klasterio gravitacija kiltų tik iš matomų galaktikų, lęšių iškraipymai būtų daug silpnesni. Žemėlapis atskleidžia, kad tankiausia tamsiosios medžiagos koncentracija yra klasterio centre.
Abell 1689 yra 2,2 milijardo šviesmečių nuo Žemės. Nuotrauka daryta 2002 metų birželį.
Vaizdo kreditas: NASA, ESA, D. Coe (NASA Jet Propulsion Laboratory / Kalifornijos technologijos institutas, Kosminio teleskopo mokslo institutas), N. Benitezas (Andalūzijos astrofizikos institutas, Ispanija), T. Broadhurstas (Baskų krašto universitetas, Ispanija ) ir H Ford (Johns Hopkins universitetas)

Nauja įvairovė tamsiosios medžiagos sektoriuje

Kadangi sunkiosios tamsiosios medžiagos dalelių, arba WIMPS, paieškos dar nepasiekė sėkmės, mokslininkų bendruomenė ieško alternatyvių tamsiosios medžiagos dalelių, ypač lengvesnių. Tuo pačiu metu apskritai būtų galima tikėtis fazių perėjimų tamsiajame sektoriuje – juk matomame sektoriuje yra daug perėjimų, teigia mokslininkai. Tačiau ankstesni tyrimai linkę į tai nepaisyti.

„Nėra nuoseklaus tamsiosios medžiagos modelio masės diapazonui, kurį tikisi pasiekti kai kurie suplanuoti eksperimentai. Tačiau mūsų HYPER modelis rodo, kad fazių perėjimas iš tikrųjų gali padėti padaryti materiją Tamsiąsias lengviau aptikti.

Tinkamo modelio iššūkis: jei tamsioji materija stipriai sąveikauja su įprasta medžiaga, tai, kiek (tiksliai žinoma) ji susidarė ankstyvojoje visatoje, būtų labai maža, o tai prieštarauja astrofiziniams stebėjimams. Tačiau, jei būtų pagamintas tinkamas kiekis, sąveika būtų per silpna, kad dabartiniuose eksperimentuose būtų galima aptikti tamsiąją medžiagą.

„Pagrindinė mūsų idėja, kuria grindžiamas HYPER modelis, yra ta, kad sąveika staiga pasikeičia iš karto, todėl galime išnaudoti geriausią iš abiejų pasaulių: reikiamą tamsiosios medžiagos kiekį ir daug sąveikos, kad galėtume ją aptikti. McGee pasakė.

Tyrėjai tai įsivaizduoja taip: dalelių fizikoje sąveiką paprastai tarpininkauja tam tikra dalelė, vadinamoji terpė, taip pat ir tamsiosios medžiagos sąveika su įprasta medžiaga. Ir tamsiosios medžiagos sudėtis, ir jos aptikimo funkcija vyksta per šią terpę, o sąveikos stiprumas priklauso nuo jos masės: kuo didesnė masė, tuo silpnesnė sąveika.

Pirmiausia terpė turi būti pakankamai sunki, kad susidarytų tinkamas tamsiosios medžiagos kiekis, o vėliau pakankamai šviesi, kad tamsiąją medžiagą iš viso būtų galima aptikti. Sprendimas: Susidarius tamsiajai medžiagai įvyko fazinis perėjimas, kurio metu terpės masė staiga sumažėjo.

„Taigi, viena vertus, tamsiosios medžiagos kiekis išlieka pastovus, o kita vertus, sąveika sustiprėja arba sustiprinama taip, kad tamsioji medžiaga būtų tiesiogiai aptinkama“, – sakė Pearce’as.

Naujasis modelis apima beveik visą planuojamų eksperimentų parametrų diapazoną

„HYPER tamsiosios medžiagos modelis gali apimti beveik visą diapazoną, kurį suteikia nauji eksperimentai”, – sakė Elloras.

Konkrečiai, tyrėjų grupė pirmiausia manė, kad maksimalus sąveikos terpės su atomo branduolio protonais ir neutronais skerspjūvis atitinka astronominius stebėjimus ir kai kuriuos dalelių fizikos skilimus. Kitas žingsnis buvo išsiaiškinti, ar yra tamsiosios medžiagos modelis, rodantis šią sąveiką.

„Ir čia mes sugalvojome perėjimo idėją”, – sakė McGee. „Tada mes apskaičiavome tamsiosios medžiagos kiekį visatoje ir imitavome fazių perėjimą naudodami savo skaičiavimus.”

Reikia atsiminti daugybę apribojimų, pvz., fiksuotą tamsiosios medžiagos kiekį.

„Čia turime sistemingai apsvarstyti ir įtraukti keletą scenarijų, pavyzdžiui, užduodami klausimą, ar tikrai neabejotina, kad mūsų terpė staiga nesukelia naujos tamsiosios materijos susidarymo, o tai, žinoma, neturi įvykti“, – sakė jis. Ellor pasakė. . „Tačiau galiausiai buvome įsitikinę, kad mūsų HYPER modelis veikė.”

Tyrimo publikavimas žurnale Fizinės apžvalgos laiškai.

Nuoroda: Jelly Ellor, Robert McGee ir Aaron Pierce „Maksimalus tiesioginio aptikimo padidinimas naudojant labai sąveikaujančias daleles tamsiąją medžiagą“, 2023 m. sausio 20 d., pasiekiama čia. Fizinės apžvalgos laiškai.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.130.031803