En ny dimension i jagten på at forstå mørkt stof

Som navnet antyder, mørkt stof - materiale, der udgør omkring 85% af massen i universet - udsender intet lys, undgår let detektering. Dens egenskaber, også, forblive ret uklar.

Nu, en teoretisk partikelfysiker ved University of California, Riverside, og kolleger har udgivet en forskningsartikel i Journal of High Energy Physics der viser, hvordan teorier, der anfører eksistensen af ​​en ny type kraft, kunne hjælpe med at forklare mørkt stofs egenskaber.

"Vi lever i et hav af mørkt stof, men vi ved meget lidt om, hvad det kunne være, " sagde Flip Tanedo, en adjunkt i fysik og astronomi og avisens seniorforfatter. "Det er en af ​​de mest irriterende kendte ubekendte i naturen. Vi ved, at den findes, men vi ved ikke, hvordan vi skal lede efter det, eller hvorfor det ikke er vist, hvor vi havde forventet det. "

Fysikere har brugt teleskoper, gigantiske underjordiske eksperimenter, og kolliderer for at lære mere om mørkt stof i de sidste 30 år, selvom der ikke er fremkommet positive beviser. De negative beviser, imidlertid, har tvunget teoretiske fysikere som Tanedo til at tænke mere kreativt over, hvad mørkt stof kunne være.

Den nye forskning, som foreslår eksistensen af ​​en ekstra dimension i rum-tid for at søge efter mørkt stof, er en del af et igangværende forskningsprogram på UC Riverside ledet af Tanedo. Ifølge denne teori, nogle af de mørke stofpartikler opfører sig ikke som partikler. Træde i kræft, usynlige partikler interagerer med endnu mere usynlige partikler på en sådan måde, at sidstnævnte ophører med at opføre sig som partikler.

"Målet med mit forskningsprogram i de sidste to år er at udvide ideen om mørkt stof, der 'taler' til mørke kræfter, " sagde Tanedo. "I løbet af det sidste årti, fysikere er kommet til at forstå, at ud over mørkt stof, skjulte mørke kræfter kan styre mørkt stofs interaktioner. Disse kunne fuldstændigt omskrive reglerne for, hvordan man bør lede efter mørkt stof."

Hvis to partikler af mørkt stof tiltrækkes eller frastødes af hinanden, så er mørke kræfter i gang. Tanedo forklarede, at mørke kræfter beskrives matematisk af en teori med ekstra dimensioner og fremstår som et kontinuum af partikler, der kunne adressere gåder set i små galakser.

"Vores igangværende forskningsprogram på UCR er en yderligere generalisering af Dark Force-forslaget, "sagde han." Vores observerede univers har tre dimensioner af rummet. Vi foreslår, at der kan være en fjerde dimension, som kun de mørke kræfter kender til. Den ekstra dimension kan forklare, hvorfor mørkt stof har gemt sig så godt for vores forsøg på at studere det i et laboratorium. "

Tanedo forklarede, at selvom ekstra dimensioner kan lyde som en eksotisk idé, de er faktisk et matematisk trick til at beskrive "konforme feltteorier" - almindelige tredimensionelle teorier, der er yderst kvantemekaniske. Disse typer teorier er matematisk rige, men indeholder ikke konventionelle partikler og anses derfor typisk ikke for at være relevante til at beskrive naturen. Den matematiske ækvivalens mellem disse udfordrende tredimensionelle teorier og en mere håndterbar ekstradimensionel teori er kendt som det holografiske princip.

"Da disse konforme feltteorier var både vanskelige og usædvanlige, de var ikke rigtig blevet systematisk anvendt på mørkt stof, " tilføjede Tanedo. "I stedet for at bruge det sprog, vi arbejder med den holografiske ekstradimensionelle teori."

Hovedtrækket i den ekstra-dimensionelle teori er, at kraften mellem partikler i mørkt stof er beskrevet af et uendeligt antal forskellige partikler med forskellige masser kaldet et kontinuum. I modsætning, almindelige kræfter beskrives af en enkelt type partikel med en fast masse. Denne klasse af kontinuum-mørke sektorer er spændende for Tanedo, fordi den gør noget "frisk og anderledes."

Ifølge Tanedo, tidligere arbejde med mørke sektorer fokuserer primært på teorier, der efterligner synlige partiklers adfærd. Hans forskningsprogram undersøger de mere ekstreme typer af teorier, som de fleste partikelfysikere fandt mindre interessante, måske fordi der ikke findes analoger i den virkelige verden.

I Tanedos teori, kraften mellem mørkt stof partikler er overraskende forskellig fra de kræfter, der mærkes af almindeligt stof.

"For tyngdekraften eller den elektriske kraft, som jeg underviser i i mit indledende fysikkursus, når du fordobler afstanden mellem to partikler, reducerer du kraften med en faktor på fire. En kontinuumskraft, på den anden side, reduceres med en faktor på op til otte."

Hvilke implikationer har denne ekstra dimensionelle mørke kraft? Da almindeligt stof muligvis ikke interagerer med denne mørke kraft, Tanedo vendte sig mod ideen om selv-interagerende mørkt stof, en idé, der var banebrydende af Hai-Bo Yu, en lektor i fysik og astronomi ved UCR, som ikke er medforfatter på papiret. Yu viste, at selv i fravær af nogen interaktion med normalt stof, virkningerne af disse mørke kræfter kunne observeres indirekte i dværg sfæroidale galakser. Tanedos hold fandt ud af, at kontinuumskraften kan gengive de observerede stjernebevægelser.

"Vores model går videre og gør det lettere end den selvinteragerende mørkt stofmodel at forklare mørkt stofs kosmiske oprindelse, "Sagde Tanedo.

Næste, Tanedos team vil udforske en kontinuum version af "mørke foton"-modellen.

"Det er et mere realistisk billede for en mørk kraft, " sagde Tanedo. "Mørke fotoner er blevet studeret meget detaljeret, men vores ekstra-dimensionelle ramme har et par overraskelser. Vi vil også undersøge de mørke kræfters kosmologi og sorte hullers fysik. "

Tanedo har arbejdet flittigt på at identificere "blinde pletter" i sit teams søgen efter mørkt stof.

"Mit forskningsprogram retter sig mod en af ​​de antagelser, vi gør om partikelfysik:At partiklernes interaktion er velbeskrevet ved udveksling af flere partikler, " sagde han. "Selvom det er sandt for almindelige sager, der er ingen grund til at antage det for mørkt stof. Deres interaktioner kunne beskrives ved et kontinuum af udvekslede partikler i stedet for blot at udveksle en enkelt type kraftpartikel."