Ученые снова ищут темные фотоны: ранняя Вселенная могла скрыть их следы
Темная материя составляет большую часть вещества во Вселенной, но из каких частиц она состоит, физики до сих пор не знают. Темные фотоны — гипотетические аналоги обычных фотонов из «темного» сектора физики. Темный фотон в некоторых моделях служит посредником между двумя секторами, а в других сам может составлять темную материю. Работа опубликована в Physical Review Letters.
После Большого взрыва пространство было заполнено горячей плазмой из заряженных частиц. Физики предполагали, что при определенных условиях темные фотоны могли резонансно передавать ей свою энергию. Расчеты показывали, что плазма при этом сильно нагревалась бы. Поскольку следов нагрева не нашли, многие варианты темных фотонов с определенной массой и силой взаимодействия сочли невозможными.
Но эти расчеты последние 15 лет строились на линейном приближении: считалось, что чем больше энергии поступает в плазму, тем больше она принимает. Ансон Хук из Мэрилендского университета, Джунву Хуан и Мохамад Шалаби из Института теоретической физики Perimeter решили проверить, что происходит в ней на самом деле, с помощью компьютерного моделирования.
Оказалось, плазма быстро меняется, когда получает энергию от темных фотонов. В ней возникают колебания и перепады плотности, из-за которых передача энергии вскоре прекращается. В результате плазма нагревается гораздо слабее, чем давали прежние расчеты. Это значит, что прежние расчеты сильно переоценивали, насколько сильно темные фотоны должны были нагревать раннюю Вселенную. Поэтому физики слишком рано отбросили многие варианты этих частиц.
Выяснилось, что темные фотоны могут взаимодействовать с обычным веществом в тысячи и даже миллионы раз сильнее, чем считалось раньше, и при этом не нагревать плазму сильнее, чем допускают наблюдения. Это возвращает в поиск большой диапазон масс — от 10⁻¹⁵ до 10⁻⁶ эВ.
Авторы предлагают пересмотреть и другие расчеты, где частицы передают энергию плазме. Например, это касается магнитосфер нейтронных звезд и белых карликов: там поведение плазмы тоже часто описывают упрощенно.
Ранее детектор LUX-ZEPLIN зафиксировал сигнал, который может быть следом взаимодействия темной материи с обычным веществом.
Иллюстрация PITP
