Теории о природе частиц тёмной материи
Два недавних исследования профессора Стефано Профумо из Калифорнийского университета в Санта-Крузе предлагают теории, которые пытаются ответить на один из самых фундаментальных открытых вопросов современной физики: какова природа частиц тёмной материи?
Наука предоставила убедительные доказательства существования таинственного вещества, которое составляет 80% всей материи во Вселенной. Присутствие тёмной материи объясняет, что связывает галактики вместе и заставляет их вращаться. Результаты, такие как крупномасштабная структура Вселенной и измерения космического микроволнового фона, также доказывают, что нечто, пока не определённое, пронизывает всю эту темноту.
Однако происхождение тёмной материи остаётся неизвестным, как и её свойства частиц. Эти вопросы в основном относятся к компетенции физиков-теоретиков, таких как Профумо. И в двух недавних работах он подходит к этим вопросам с разных сторон, но оба исследования сосредоточены на идее, что тёмная материя могла возникнуть естественным образом из условий в самой ранней Вселенной, а не быть экзотической новой частицей, которая взаимодействует с обычной материей каким-то обнаруживаемым образом.
Происхождение тёмной материи: «зеркальный мир»
В последнем исследовании, опубликованном 8 июля в журнале Physical Review D, рассматривается вопрос о том, могла ли тёмная материя образоваться в скрытом секторе — своего рода «зеркальном мире» с собственными версиями частиц и сил. Хотя этот теневой сектор совершенно невидим для людей, он подчиняется многим из тех же физических законов, что и известная Вселенная.
Идея черпает вдохновение из квантовой хромодинамики (QCD) — теории, описывающей, как кварки связаны вместе внутри протонов и нейтронов сильным ядерным взаимодействием. Калифорнийский университет в Санта-Крузе имеет глубокие корни в этой области: почётный профессор физики Майкл Дайн помог разработать теоретические модели, включающие аксион QCD, ведущий кандидат в тёмную материю, а профессор исследований Эйб Сейден внёс свой вклад в основные экспериментальные усилия по изучению структуры адронов — частиц, состоящих из кварков — в экспериментах по физике высоких энергий.
В новой работе Профумо сильное взаимодействие воспроизводится в тёмном секторе как теория конфайнмента «тёмной QCD» с собственными частицами — тёмными кварками и тёмными глюонами, которые связываются вместе, образуя тяжёлые составные частицы, известные как тёмные барионы. При определённых условиях в ранней Вселенной эти тёмные барионы могли стать достаточно плотными и массивными, чтобы коллапсировать под действием собственной гравитации в чрезвычайно малые, стабильные чёрные дыры — или объекты, которые ведут себя во многом как чёрные дыры.
Эти объекты, похожие на чёрные дыры, были бы всего в несколько раз тяжелее массы Планка — фундаментальной шкалы масс квантовой гравитации, но если бы они были произведены в нужном количестве, они могли бы объяснить всю наблюдаемую сегодня тёмную материю. Поскольку они взаимодействовали бы только через гравитацию, они были бы совершенно невидимы для детекторов частиц — однако их присутствие формировало бы Вселенную в крупнейших масштабах.
Расширяющийся «космический горизонт»
В другом недавнем исследовании, опубликованном в мае в том же журнале, Профумо рассматривает вопрос о том, может ли тёмная материя быть произведена расширяющимся «космическим горизонтом» Вселенной — по сути, космологическим эквивалентом горизонта событий чёрной дыры.
В этой статье задаётся вопрос: если Вселенная претерпела короткий период ускоренного расширения после инфляции — что-то менее экстремальное, чем инфляция, но всё же расширяющееся быстрее, чем это позволило бы излучение или материя — могла ли эта фаза сама по себе «излучать» частицы?
Используя принципы квантовой теории поля в искривлённом пространстве-времени, в статье показано, что широкий диапазон масс тёмной материи может быть результатом этого механизма, в зависимости от температуры и продолжительности этой фазы.
Важно отметить, что Профумо сказал, что это не требует никаких предположений о том, как тёмная материя взаимодействует — только то, что она стабильна и производится гравитационно. Идея вдохновлена тем, как наблюдатели вблизи космических горизонтов, таких как у чёрной дыры, воспринимают тепловое излучение из-за квантовых эффектов.
Измерение времени жизни свободного нейтрона
Нейтрон — фундаментальная частица природы, теперь исследования, проведённые под руководством Лос-Аламосской национальной лаборатории, улучшили точность измерений времени жизни свободного нейтрона. Результаты команды подчёркивают успех конструкции эксперимента UCNTau и предвосхищают эффективность новых методов и подходов, которые команда внедряет в следующее поколение эксперимента.
«Точное время жизни свободных нейтронов находится в центре всё ещё оспариваемых физических вопросов», — сказал физик из Лос-Аламоса Стивен Клейтон. «Понимание времени жизни нейтрона может быть использовано для проверки природы слабого взаимодействия, одной из фундаментальных сил Вселенной, а также может помочь в поиске физики за пределами Стандартной модели».
Результаты команды, опубликованные в Physical Review C, включают три дополнительных года сбора данных из эксперимента на установке для ультрахолодных нейтронов в Лос-Аламосском центре нейтронных наук. Точность была повышена за счёт улучшений в систематическом дизайне эксперимента. Результаты обновляют понимание времени жизни нейтрона до 877,83 секунды с неопределённостью, сниженной до менее 0,3 секунды.
Экспериментальная установка UCNtau — UCN означает «ультрахолодные нейтроны», а тау — символ времени жизни частицы — работает как магнитогравитационная ловушка, напоминающая ванну, поверхность которой покрыта магнитами и открыта сверху. Эксперимент UCNtau отличается от подхода «пучка», используемого в некоторых экспериментах по измерению времени жизни нейтронов.
Подходы привели к различным измерениям времени жизни нейтрона, и «загадка времени жизни нейтрона» разделила физическое сообщество вокруг возможности того, что недостаток в любом из экспериментальных подходов может объяснить расхождение.
Для повышения точности UCNTau команда обновляла установку каждый год, пока собирала данные, включая улучшение мониторинга количества нейтронов, первоначально загруженных в ловушку, и точности подсчёта выживших нейтронов в ловушке после некоторого времени удержания. Согласованность недавних данных с более ранними результатами команды подтверждает дизайн эксперимента.
«Результаты представляют собой наиболее точное измерение времени жизни нейтрона на сегодняшний день», — сказал Клейтон. «Наши цели состояли в том, чтобы лучше понять и количественно оценить систематические неопределённости в эксперименте и повысить статистическую точность времени жизни. С таким уровнем точности мы довели текущий дизайн до предела».
Для следующего запуска данных исследовательская группа сосредоточилась на значительном увеличении мощности экспериментальной установки — итерации эксперимента, который команда называет «UCNTau+». Команда модифицирует метод заполнения ловушки, чтобы увеличить плотность ультрахолодных нейтронов в 5–10 раз, одновременно улучшая детекторную систему, чтобы уменьшить наибольшую систематическую неопределённость в 10 раз — до общей неопределённости в 0,1 секунды.
most recent study, published on July 8 in Physical Review D, explores whether dark matter could have formed in a hidden sector—a kind of \”mirror world\” with its own versions of particles and forces. While completely invisible to humans, this shadow sector would obey many of the same physical laws as the known universe.”,”The idea draws inspiration from quantum chromodynamics (QCD), the theory that describes how quarks are bound together inside protons and neutrons by the strong nuclear force. UC Santa Cruz has deep roots in this area: Emeritus physics professor Michael Dine helped pioneer theoretical models involving the QCD axion, a leading dark matter candidate, while research professor Abe Seiden contributed to major experimental efforts probing the structure of hadrons—particles made of quarks—in high-energy physics experiments.”,”In Profumo’s new work, the strong force is replicated in the dark sector as a confining \”dark QCD\” theory, with its own particles—dark quarks and dark gluons—binding together to form heavy composite particles known as dark baryons. Under certain conditions in the early universe, these dark baryons could become dense and massive enough to collapse under their own gravity into extremely small, stable black holes—or objects that behave much like black holes.”,”These black hole–like remnants would be just a few times heavier than the Planck mass—the fundamental mass scale of quantum gravity—but if produced in the right quantity, they could account for all the dark matter observed today. Because they would interact only through gravity, they would be completely invisible to particle detectors—yet their presence would shape the universe on the largest scales.”,”This scenario offers a new, testable framework grounded in well-established physics, while extending UC Santa Cruz’s long-standing exploration of how deep theoretical principles might help explain one of the biggest open questions in cosmology.”,”Profumo’s other recent study, published in May in the same journal, explores whether dark matter might be produced by the universe’s expanding \”cosmic horizon\”—essentially, the cosmological equivalent of a black hole’s event horizon.”,”This paper asks, if the universe underwent a brief period of accelerated expansion after inflation—something less extreme than inflation, but still expanding faster than radiation or matter would allow—could that phase itself have \”radiated\” particles into existence?”,”Using principles from quantum field theory in curved spacetime, the paper shows that a wide range of dark matter masses could result from this mechanism, depending on the temperature and duration of this phase.”,”Importantly, Profumo said this doesn’t require any assumptions about how the dark matter interacts—only that it is stable and produced gravitationally. The idea is inspired by the way observers near cosmic horizons, like those of a black hole, perceive thermal radiation due to quantum effects.”,”\”Both mechanisms are highly speculative, but they offer self-contained and calculable scenarios that don’t rely on conventional particle dark matter models, which are increasingly under pressure from null experimental results,\” said Profumo, who is also deputy director for theory at the Santa Cruz Institute for Particle Physics.”,”One could say Profumo wrote the book on the quest to understand the nature of dark matter. His 2017 textbook \”An Introduction to Particle Dark Matter\” presents lessons that he personally learned and used in his research work from state-of-the-art techniques that scientists have developed over the years to build and test particle models for dark matter.”,”The book describes the \”paradigm of dark matter\” as \”one of the key developments at the interface of cosmology and elementary particle physics,\” and is intended for anyone interested in the microscopic nature of dark matter as it manifests itself in particle physics experiments, cosmological observations, and high-energy astrophysical phenomena.”,”Researchers here have played a key role in cosmology for decades, contributing to the development of the standard Lambda-Cold Dark Matter model—still the best fit to all cosmological data—and to the theoretical and observational study of how structure forms in the universe. In addition, UC Santa Cruz has long supported a close interplay between theory and observation, with strengths in particle physics, astrophysics, and early universe cosmology.”,”Profumo said these recent publications continue in that tradition, exploring ideas that connect the deepest questions in particle physics with the large-scale behavior of the cosmos. \”And they do so in a way that remains rooted in known physics—whether quantum field theory in curved spacetime, or the well-studied properties of SU(N) gauge theories—while extending them to new frontiers,\” he said.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniversity of California – Santa Cruz\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник