Nove računske simulacije pokazuju da ranije linearne aproksimacije preuveličavaju prenos energije iz tamnih fotona u ranu plazmu, jer nelinearni efekti brzo zaustavljaju konverziju. Kao rezultat, veliki deo parametarskog prostora za tamne fotone koji je ranije bio isključen vraća se u igru. To otvara nove mogućnosti za eksperimente i potragu za česticama van Standardnog modela. Rad je objavljen 13. avgusta u Physical Review Letters.
Mogu li tamni fotoni ipak biti tamna materija? Nove simulacije menjaju pravila igre
An ilustration of dark photon-dark matter filling the early universe.
Novo istraživanje sugeriše da, ukoliko je tamna materija sastavljena od tzv. tamnih fotona, ona možda nije zagrevala rani univerzum onako kako se ranije verovalo. Ako se ova revizija potvrdi, mogla bi predstavljati značajan preokret u potrazi za jednom od najvećih misterija kosmosa.
An ilustration of dark photon-dark matter filling the early universe. | Credit: Robert Lea (created with Canva)
Tamna materija je masivnija od obične materije u približnom odnosu 5:1, ali ostaje „nevidljiva“ jer ne stupа u značajne interakcije sa elektromagnetnim zračenjem. Zbog toga fizičari predlažu nove hipotetičke čestice van Standardnog modela — među njima i tamne fotone, analog običnog fotona koji u mračnom sektoru može prenositi novu silu.
An illustration of a dark photon, a candidate for dark matter. | Credit: Robert Lea (created with Canva)
Dotadašnje analize su ukazivale da bi tamni fotoni u gustoj i vreloj plazmi ranog univerzuma lako konvertovali u obične fotone, što bi dodatno zagrejalo plazmu i ostavilo detektabilne tragove. Zbog toga su veliki delovi parametarskog prostora za tamne fotone bili praktično isključeni.
Dark matter seen at the center of a galaxy. | Credit: Mattia Di Mauro (ESO/Fermi-Lat)
Šta je novo?
Tim istraživača, uključujući Junwu Huanga i Mohamada Shalabyja iz Perimeter Institute-a i Ansona Hooka sa University of Maryland, uradio je prve detaljne računarske simulacije koje uključuju nelinearne reakcije plazme. Pokazali su da linearna aproksimacija — koja je korišćena tokom poslednjih 15 godina — preuveličava prenos energije. U stvarnosti, kako se počinje prenos energije iz tamnih fotona u plazmu Standardnog modela, plazma razvija snažne nelinearne efekte koji gotovo trenutno ugušuju dalju konverziju.
"Ove ekskluzije su govorile da je jačina interakcije morala biti 10^8 puta slabija nego što zapravo može biti," rekao je Anson Hook. "Ovaj rad otvara mnoge nove mogućnosti za traženje tamne materije."
Junwu Huang ističe: "Poslednjih 15 godina tretman je bio linearan. Ako koristite tu aproksimaciju, izračunata količina prenesene energije izgleda veoma velika — i to jednostavno nije moguće." Simulacije su pokazale da nelinearnosti brzo zaustavljaju konverziju nakon što je samo veoma mala količina energije preneta u plazmu.
Šta to znači za potragu?
Glavni efekat rada je značajno proširen parametarski prostor u kojem tamni fotoni (i slični kandidati) mogu postojati bez konflikta sa kosmološkim zapažanjima. To znači da postojeće eksperimentalne granice treba ponovo razmotriti, a budući i tekući eksperimenti mogu usmeriti pretrage na ranije isključene oblasti parametara — možda i otkriti nove čestice van Standardnog modela.
Rad istraživača objavljen je 13. avgusta u časopisu Physical Review Letters. Ako se rezultati potvrde i dalje proverom i nezavisnim simulacijama, može nastupiti širok talas prilagođavanja teorijskih i eksperimentalnih pretraga u fizici tamne materije.
"Ispravno izračunavši plazmu ranog univerzuma, eksperimenti će moći da istraže nove parametre i potencijalno zaista nešto otkriju," rekao je Mohamad Shalaby.
Pomozite nam da budemo bolji.
