Тёмные фотоны не нагревали раннюю Вселенную — открыта новая зона поиска тёмной материи
Новая статья в Physical Review Letters показывает, что гипотетические тёмные фотоны — одни из главных кандидатов на роль тёмной материи — не нагревали раннюю Вселенную так, как считалось раньше. Это снимает ограничения с vast области поиска и может изменить охоту за тёмной материей. Об этом рассказывает издание Phys.org.
Работа выполнена исследователями Института периметра Хуном Хуан и Мохамадом Шалаби совместно с Ансоном Хуком из Университета Мэриленда. Физики предполагали, что тёмные фотоны, если существуют, превращались в обычный свет в горячей плазме, заполнявшей ранний космос, дополнительно нагревая её. Из-за этого космологические измерения исключали большой диапазон параметров тёмных фотонов.
Новые компьютерные симуляции показали, что процесс конверсии сам себя отключает до того, как происходит значительный нагрев. Значит, исключённые ранее диапазоны могут оказаться ключом к обнаружению тёмных фотонов. «Эти исключения говорили, что сила взаимодействия тёмной материи должна быть в 108 раз слабее, чем на самом деле», — говорит Хук. «Эта статья открывает много новых возможностей для поиска тёмной материи».
В течение 15 лет исследователи использовали линейное приближение для перехода тёмного фотона в обычный свет. Энергия, которая должна была передаться плазме, получалась подозрительно большой. Хуан понял, что это невозможно, и они с Хуком вернулись к старым учебникам по физике плазмы, а затем подключили Шалаби, постдока, специализирующегося на этом. Симуляции Шалаби показали, что стандартный линейный сценарий неполон.
Как только энергия начинает перетекать в плазму, система становится резко нелинейной. «Что мы поняли: когда энергия переходит в плазму Стандартной модели, плазма буквально сходит с ума», — объясняет Хуан. Нелинейные эффекты фактически выключают передачу энергии после превращения крошечной её части. Поэтому прежнее космологическое ограничение на тёмные фотоны недействительно на протяжении примерно десяти порядков массы — от 10⁻¹⁵ до 10⁻⁶ электронвольт, что примерно соответствует радиочастотам от килогерц до гигагерц.
«Правильно рассчитав плазму ранней Вселенной, эксперименты будут исследовать новые области параметров и потенциально смогут что-то увидеть», — объясняет Шалаби. Результат относится не только к тёмным фотонам: нелинейные эффекты могут действовать и на другие частицы. Хуан предупреждает, что линейные приближения, удобные для вычислений, могут не описывать даже магнитосферы нейтронных звёзд и белых карликов.
Работа демонстрирует пользу междисциплинарных связей в физике. «Это действительно междисциплинарно: взаимодействие физики плазмы и физики частиц, — говорит Шалаби. — И это напрямую повлияет на экспериментаторов».
