В недавней статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, исследователи предложили новый механизм, который может наконец позволить рассматривать ультралёгкие тёмные фотоны как серьёзных кандидатов в тёмную материю. Это открывает перспективы для обнаружения тёмной материи.
Тёмная материя: загадка для учёных
Считается, что около 85% всей материи во Вселенной составляет тёмная материя. Однако это неуловимое вещество продолжает озадачивать учёных, поскольку его невозможно наблюдать напрямую.
Тёмные фотоны как кандидаты в частицы тёмной материи
Одним из кандидатов в частицы тёмной материи являются тёмные фотоны. Эти гипотетические частицы похожи на обычные фотоны, но имеют массу и слабо взаимодействуют с обычной материей.
Однако теоретический прогресс в моделях тёмных фотонов, как тёмной материи, сдерживался «ограничением кинетического смешивания».
В ранней Вселенной тёмные фотоны часто образовывали сети космических струн из-за кинетического смешивания с обычными фотонами, что не позволяло им сохраняться в виде отдельных частиц тёмной материи.
Эти струноподобные структуры не могут гравитационно собираться в скопления, образуя гало галактик, или воспроизводить сигнатуры тёмной материи, которые мы наблюдаем. Это фактически исключает их в качестве жизнеспособных кандидатов в тёмную материю.
Новое решение
Исследователи Дэвид Синцинатес из Вашингтонского университета и Захари Вайнер из Института теоретической физики Периметра предложили новое решение, которое может преодолеть это фундаментальное ограничение.
«Меня поразило недавнее исследование, предполагающее, что многие предложенные модели тёмных фотонов могут не работать как тёмная материя, — сказал Синцинатес в интервью Phys.org. — Это поставило вопрос: действительно ли все такие модели исключены, или мы можем найти сценарии, которые всё ещё работают — особенно те, которые можно было бы проверить с помощью экспериментов следующего поколения?»
Проблема космических струн
Проблема космических струн возникает потому, что тёмные фотоны обычно приобретают массу через механизм, аналогичный тому, как обычные частицы получают массу — через взаимодействие с полем, называемым тёмным Хиггсом.
Когда этот процесс происходит в ранней Вселенной при высоких плотностях, тёмные фотоны оказываются в ловушке в длинных, струноподобных конфигурациях, которые простираются на космические расстояния.
«Тёмные фотоны стремятся собираться в космические струны, когда они достаточно плотны в пространстве, — сказал Вайнер в интервью Phys.org. — Трудно избежать высоких плотностей, поскольку любой кандидат в тёмную материю должен был быть сначала произведён в ранней космической истории, когда Вселенная была намного плотнее».
Ключевой момент нового исследования — это «выбор времени». Отложив производство тёмных фотонов до гораздо более позднего периода в космической истории, исследователи обнаружили, что они могут избежать условий плотности, которые приводят к образованию космических струн.
«Наша модель стремилась минимизировать этот эффект, отложив эпоху, в которую тёмные фотоны производятся как можно позже — как раз вовремя, чтобы они могли сыграть свою роль в качестве холодной тёмной материи во время формирования анизотропий космического микроволнового фона», — объяснил Вайнер.
Модель с скалярным полем
Модель исследователей вводит скалярное поле, которое эволюционирует в течение космического времени, эффективно изменяя параметры теории по мере старения Вселенной. Это поле подавляет массу тёмного фотона в ранней Вселенной, а затем позволяет ей расти через процесс, называемый тахионной нестабильностью.
Этот механизм отложенного производства работает через то, что исследователи называют «потенциалом убегания». По мере эволюции скалярного поля оно создаёт условия, при которых поперечные моды тёмных фотонов становятся нестабильными и растут экспоненциально, создавая обилие тёмной материи, которое мы наблюдаем сегодня.
«Хитрость заключается в том, что это новое поле делает тёмный фотон намного легче в ранней Вселенной, чем он оказывается сегодня, что облегчает их производство, чем в других сценариях», — сказал Синцинатес.
Перспективы обнаружения
Простейший сценарий, когда тёмные фотоны создаются во время инфляции, работает только в том случае, если они почти полностью невидимы для обычной материи, что является плохой новостью для обнаружения.
«Тёмный фотон может иметь более сильные взаимодействия, что открывает двери для обнаружения в лабораторных экспериментах», — отметил Синцинатес.
Исследователи определили несколько предстоящих экспериментов, которые могут обнаружить их предсказанные тёмные фотоны. К ним относятся эксперименты с использованием полостей, в которых используются сверхчувствительные детекторы в экранированных средах для улавливания слабых сигналов, которые могли бы создавать тёмные фотоны.
Эксперименты, такие как DM-Radio, ALPHA, Dark E-field и MADMAX, могут обнаружить тип тёмных фотонов, предсказанный моделью исследователей.
Некоторые эксперименты используют радиочастотные методы для поиска конверсий тёмных фотонов, в то время как другие полагаются на то, как свет ведёт себя внутри плазмы, чтобы обеспечить резонансное преобразование тёмных фотонов в обычные фотоны.
Помимо лабораторных обнаружений, механизм позднего производства создаёт отличительные сигнатуры в формировании космической структуры. Задержанное производство приводит к усилению мелкомасштабных структур, включая мини-гало с характерными массами и размерами, которые могут быть наблюдаемы с помощью будущих телескопов.
«Будущие телескопы могут увидеть намёки на усиленную мелкомасштабную структуру, характерную для нашего предложения, например, через дрожание в движении или яркости звёзд», — объяснил Вайнер.
«Но прямое обнаружение в лаборатории было бы существенным доказательством, позволяющим предположить, что наблюдаемый астрофизический сигнал на самом деле обусловлен тёмной материей из тёмных фотонов».
Увеличенное формирование структуры возникает потому, что тёмные фотоны, произведённые в поздней космической истории, сохраняют память о процессе производства, создавая флуктуации плотности, которые отсутствуют в традиционных моделях тёмной материи.
Исследование предоставляет конкретные экспериментальные цели и наблюдаемые предсказания, которые могут направлять будущие поиски тёмной материи.