En ny ramme kan hjælpe søgningen efter tungt termisk mørkt stof

Astrofysikere har ledt efter mørkt stof i flere årtier, men disse søgninger har indtil videre givet skuffende resultater. I en nylig undersøgelse, to forskere ved Weizmann Institute of Science og det hebraiske universitet i Jerusalem i Israel har introduceret en ny teoretisk ramme, der beskriver en mekanisme for elementært termisk mørkt stof med en masse op til 10 ¹⁴ GeV.

Det mørke stof, der betragtes i deres arbejde, består af flere næsten degenererede partikler, der spredes i den nærmeste naboskæde på en måde, der er i overensstemmelse med standardmodellen, der blev brugt i undersøgelser af mørkt stof. De nye rammer præsenteret af disse forskere, beskrevet i et papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , kunne i sidste ende informere fremtidige søgninger efter tungt mørkt stof.

"Mørkt stofs natur er et langvarigt problem i moderne fysik, "Hyungjin Kim, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "En partikel, der er lige så tung som Higgs boson, og er involveret i interaktioner, hvis styrke er den elektriske svage interaktion, menes at være en særdeles velmotiveret mørk stofkandidat, som det ofte naturligt opstår, når man behandler et andet nøgleproblem:hierarkiet mellem den elektrosvage skala og Planck-skalaen."

Partikelen, der menes at være en god mørk stofkandidat, kendt som en svagt interagerende massiv partikel (WIMP), kunne produceres naturligt fra interaktioner mellem standardmodelpartikler i det tidlige univers, mens de er i termisk ligevægt. Denne særlige proces går under navnet 'termisk frysemekanisme'.

Baseret på den nuværende astrofysikteori, den endelige overflod af WIMP'er i vores univers i dag ville således være ufølsom over for detaljer om begyndelsesbetingelser eller modelparametre. Imidlertid, en almindelig viden, der stammer fra et papir fra 1990 af Kim Griest og Marc Kamionkowski, antyder, at denne termiske udfrysningsmekanisme ikke virker, når mørkt stof er tungere end 100 TeV (dvs. tusind gange tungere end Higgs-bosonen).

"I vores seneste papir, vi beviser denne almindelige lore forkert og viser, at termisk frysning er mulig, selv når mørkt stof er flere størrelsesordener tungere end Higgs-massen, hvis der er et sæt mørke partikler, der spreder standardmodelpartiklerne med nærmeste nabo-interaktioner, "Eric Kuflik, den anden forsker bag undersøgelsen, sagde. "Det mørke stofs levnedsmængde bestemmes derefter af stokastiske interaktioner mellem de mørke partikler og standardmodelpartiklerne."

Mekanismen foreslået af Kim og Kuflik beskriver et sæt partikler af mørkt stof, der spredes med almindeligt stof gennem interaktioner fra nærmeste naboer, som skifter mellem arter. Med andre ord, det antyder, at det mørke stof tager en 'tilfældig tur' blandt mørke stofarter, konstant ændrer sin identitet. Baseret på de rammer, forskerne har introduceret, derfor, overfloden af ​​mørkt stof er termisk bestemt i det tidlige univers, muliggør ekstremt tunge masser af mørkt stof.

"Vi har vist, at mørkt stof kan produceres fra det tidlige univers termiske bad, mens det er i termisk ligevægt, selv for mørke stofmasser, der er væsentligt tungere end konventionel visdom ville tillade, "Kim forklarede." Interessant nok, overflod af partikler af mørkt stof i vores scenario afhænger kun af de mørke partiklers interaktionsstyrke med standardmodelpartiklerne. "

Den nye ramme udviklet af Kim og Kuflik kan have vigtige konsekvenser for studier, der undersøger den kosmiske mikrobølgebaggrund, strukturdannelse og kosmiske stråler. Ud over, det kunne tjene som et benchmark for eksperimentelle søgninger i tungt mørkt stof, da det antyder, at forfald til almindelige stofpartikler i det sene univers kan efterlade interessante astrofysiske og kosmologiske signaturer, som forskere kunne kigge efter, når de søgte efter mørkt stof.

"Der er to lovende retninger, vi håber at følge i vores fremtidige arbejde, "Sagde Kim." Først vores mekanisme forudsiger uundgåeligt, at mørkt stof-partikler henfalder til Standard Model-partikler gennem universets historie. Dette kan efterlade interessante astrofysiske signaturer, såsom kosmiske stråler med ultrahøj energi og så videre. Konsekvenserne for kosmologi er også interessante. "

Indtil nu, Kim og Kuflik har beskrevet den grundlæggende idé om supertungt mørkt stof og givet en 'simpel legetøjsmodel' af det ved at parameterisere interaktionsstyrken mellem mørke partikler og standardmodelpartikler. I deres næste undersøgelser, imidlertid, Kim og Kuflik planlægger at gennemføre en detaljeret undersøgelse af partikelfysiske teorier, der kunne realisere deres mekanisme for super tung termisk mørkt stof.

"Eksplicitte erkendelser i partikelfysik vil hjælpe med at identificere hele rækken af ​​eksperimentelle signaler forudsagt af mekanismen, som vil lære os de bedste midler til enten at udelukke eller opdage sådan mørkt stof, "Tilføjede Kuflik.

© 2019 Science X Network