Fysikere begrænser mørkt stof

Forskere fra Rusland, Finland, og USA har sat en begrænsning på den teoretiske model af mørkt stofpartikler ved at analysere data fra astronomiske observationer af aktive galaktiske kerner. De nye fund giver et ekstra incitament for forskningsgrupper rundt om i verden, der forsøger at knække mysteriet om mørkt stof:Ingen er helt sikker på, hvad det består af. Papiret blev offentliggjort i Journal of Cosmology and Astroparticle Physics .

Spørgsmålet om, hvilke partikler der udgør mørkt stof, er et afgørende spørgsmål for moderne partikelfysik. På trods af forventningerne om, at partikler af mørkt stof ville blive opdaget ved Large Hadron Collider, dette skete ikke. En række af dengang gængse hypoteser om mørkt stofs natur måtte afvises. Forskellige observationer indikerer, at der findes mørkt stof, men tilsyneladende udgør noget andet end partiklerne i standardmodellen det. Fysikere er derfor nødt til at overveje yderligere muligheder, der er mere komplekse. Standardmodellen skal udvides. Blandt kandidaterne til inklusion er hypotetiske partikler, der kan have masser i området fra 10? ²? til 10? gange elektronens masse. Det er, den tungeste spekulerede partikel har en masse på 40 størrelsesordener større end den af ​​de letteste.

En teoretisk model behandler mørkt stof som værende opbygget af ultralette partikler. Dette giver en forklaring på talrige astronomiske observationer. Imidlertid, sådanne partikler ville være så lette, at de ville interagere meget svagt med andet stof og lys, hvilket gør dem ekstremt svære at studere. Det er næsten umuligt at få øje på en partikel af denne art i et laboratorium, så forskerne vender sig til astronomiske observationer.

"Vi taler om mørke stofpartikler, der er 28 størrelsesordener lettere end elektronen. Denne forestilling er kritisk vigtig for modellen, som vi besluttede at teste. Gravitationsinteraktionen er det, der forråder tilstedeværelsen af ​​mørkt stof. Hvis vi forklarer alt observeret mørkt stofmasse i form af ultralette partikler, det ville betyde, at der er et enormt antal af dem. Men med så lette partikler som disse, spørgsmålet opstår:Hvordan beskytter vi dem mod at erhverve effektiv masse på grund af kvantekorrektioner? Beregninger viser, at et muligt svar ville være, at disse partikler interagerer svagt med fotoner - det vil sige, med elektromagnetisk stråling. Dette giver en meget lettere måde at studere dem på:ved at observere elektromagnetisk stråling i rummet, "sagde Sergey Troitsky, en medforfatter til papiret og chefforsker ved Institut for Nuklear Forskning ved Det Russiske Videnskabsakademi.

Når antallet af partikler er meget højt, i stedet for individuelle partikler, du kan behandle dem som et felt med en vis tæthed, der gennemsyrer universet. Dette felt oscillerer sammenhængende over domæner, der er i størrelsesordenen 100 parsecs i størrelse, eller omkring 325 lysår. Det, der bestemmer svingningsperioden, er massen af ​​partiklerne. Hvis modellen vurderet af forfatterne er korrekt, denne periode bør være omkring et år. Når polariseret stråling passerer gennem et sådant felt, strålingspolarisationsplanet svinger med den samme periode. Hvis der faktisk sker periodiske ændringer som dette, astronomiske observationer kan afsløre dem. Og længden af ​​perioden - et jordisk år - er meget bekvemt, fordi mange astronomiske objekter observeres over flere år, hvilket er nok til at ændringerne i polarisering kan vise sig.

Forfatterne til papiret besluttede at bruge data fra jordbaserede radioteleskoper, fordi de vender tilbage til de samme astronomiske objekter mange gange i løbet af en observationscyklus. Sådanne teleskoper kan observere fjernt aktive galaktiske kerner - områder med overophedet plasma tæt på galaksernes centre. Disse områder udsender stærkt polariseret stråling. Ved at observere dem, man kan spore ændringen i polarisationsvinklen over flere år.

"Først så det ud til, at signalerne fra individuelle astronomiske objekter udviste sinusformede svingninger. Men problemet var, at sinusperioden skal bestemmes af partikelmassen af ​​mørkt stof, hvilket betyder, at det skal være det samme for hvert objekt. Der var 30 objekter i vores prøve. Og det kan være, at nogle af dem svingede på grund af deres egen indre fysik, men alligevel, menstruationerne var aldrig de samme, " Troitsky fortsætter. "Dette betyder, at samspillet mellem vores ultralette partikler og stråling godt kan være begrænset. Vi siger ikke, at sådanne partikler ikke eksisterer, men vi har vist, at de ikke interagerer med fotoner, sætte en begrænsning på de tilgængelige modeller, der beskriver sammensætningen af ​​mørkt stof. "

"Forestil dig, hvor spændende det var! Du bruger mange år på at studere kvasarer, da teoretiske fysikere en dag dukker op, og resultaterne af vores højpræcisionspolarisationsmålinger med høj præcision og høj vinkelopløsning er pludselig nyttige til at forstå arten af ​​mørkt stof, " tilføjer Yuri Kovalev entusiastisk, medforfatter af undersøgelses- og laboratoriedirektøren ved Moskva Institut for Fysik og Teknologi og Lebedev Fysisk Institut ved Det Russiske Videnskabsakademi.

I fremtiden, teamet planlægger at søge efter manifestationer af hypotetiserede tungere partikler i mørkt stof foreslået af andre teoretiske modeller. Dette vil kræve arbejde i forskellige spektrale områder og brug af andre observationsteknikker. Ifølge Troitsky, begrænsningerne på alternative modeller er strengere.

"Lige nu, hele verden er engageret i søgen efter mørkt stof partikler. Dette er et af partikelfysikkens store mysterier. Fra i dag, ingen model accepteres som foretrukket, bedre udviklet, eller mere sandsynligt med hensyn til de tilgængelige eksperimentelle data. Vi skal teste dem alle. Uhensigtsmæssigt, mørkt stof er "mørkt" i den forstand, at det næppe interagerer med noget, især med lys. Tilsyneladende, i nogle scenarier kan det have en lille effekt på lysbølger, der passerer igennem. Men andre scenarier forudsiger ingen interaktion overhovedet mellem vores verden og mørkt stof, andre end dem, der medieres af tyngdekraften. Dette ville gøre dets partikler meget svære at finde, " slutter Troitsky.