11-3-9. «Хаббл» нашел самые маленькие сгустки темной материи
11-3-10. Новая элементарная частица может оказаться «атомом» темной материи
11-3-11. Темные аксионы ограничили с помощью нейтронных звезд
11-3-12. Пульсары могут подсветить темную материю
Глава 11-3-1
Темная материя выдаст себя разогревом нейтронных звезд
Февраль 2018
Американские физики исследовали падение темной материи на нейтронную звезду и показали, что параметры взаимодействия частиц обычной и темной материи связаны с температурой звезды. Более того, для некоторых моделей этот способ позволяет получить оценки, которые превосходят существующие оценки, найденные в экспериментах по прямому поиску темной материи. Статья опубликована в Physical Review D.
Темная материя необходима для объяснения кривых вращения и гравитационного линзирования на галактиках с «недостающей» массой, и большинство физиков уверены в ее существовании. К сожалению, в экспериментах по прямому детектированию частицы темной материи до сих пор не были найдены. Это заставляет физиков задумываться о природе темной материи, а также искать альтернативные способы ее детектирования.
Например, в новой статье физики из Калифорнийского и Нотр-Дамского университетов предложили искать темную материю с помощью нейтронных звезд. Из-за огромной силы притяжения такие звезды должны очень эффективно захватывать частицы — поток темной материи, падающей на типичную нейтронную звезду, оценивается приблизительно в 25 грамм в секунду. Из-за этого нейтронные звезды должны заметно разогреваться, и наблюдая за ними в инфракрасном диапазоне, можно определить сечение взаимодействия частиц обычной и темной материи.
Стоит отметить, что на данный момент у астрономов нет инструментов, с помощью которых можно было бы измерить температуру нейтронных звезд и увидеть предсказанное авторами статьи разогревание. Тем не менее, инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб» сможет выполнить такие измерения. В этом случае наблюдения уже за одной-единственной нейтронной звездой будет достаточно, чтобы уточнить величину сечения взаимодействия частиц обычной и темной материи.
В ноябре прошлого года физик-теоретик из Брукхейвенской национальной лаборатории предложил объяснить неудачи экспериментов по прямому поиску темной материи тем, что частицы темной материи обходят Землю стороной, и детектировать попросту нечего. В своей статье он рассматривает гипотетическую силу отталкивания, которая быстро затухает (экспоненциально) при удалении от массивных объектов и становится незаметной на масштабах галактик, но не дает частицам темной материи приблизиться к таким телам, как Земля или Солнце. Если гипотеза физика верна (а подтверждений у нее пока что нет), работа американских физиков не имеет смысла, поскольку темная материя не будет падать на нейтронные звезды и разогревать их.
nplus1, 12 февраля 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/02/12/dark-neutron
Статья опубликована в Physical Review D.
Физики из Калифорнийского и Нотр-Дамского университетов
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.97.043006
Глава 13-3-2
Распады нейтрона указали на существование темной материи
Май 2018
Физики из Калифорнийского университета в Сан-Диего предложили объяснить с помощью темной материи расхождение между «бутылочными» и «пучковыми» экспериментами по определению времени жизни свободного нейтрона. Для этого около одного процента распадов нейтронов должно содержать в качестве конечного продукта частицу темной материи, масса которой практически совпадает с массой протона. Статья опубликована в Physical Review Letters.
В связанном состоянии (внутри атомного ядра) нейтроны могут жить неограниченно долго, однако свободные нейтроны быстро распадаются. Как правило, продуктами такого распада выступает протон, электрон и электронное антинейтрино.
Время жизни нейтрона можно измерить двумя легко реализуемыми на практике способами. В первом типе экспериментов ученые охлаждают частицы до низкой температуры, помещают их в гравитационную ловушку и измеряют, как число нейтронов в ловушке N зависит от времени. Во втором типе экспериментов физики получают пучок нейтронов и измеряют, сколько в нем содержится протонов, образовавшихся в результате бета-распада. Это позволяет определить скорость распада, а следовательно, время жизни нейтрона.
Но результаты измерений, выполненных различными способами, отличаются почти на десять секунд.
Причинами подобного расхождения могут быть как систематические ошибки, упущенные из виду сразу несколькими группами экспериментаторов, так и фундаментальные механизмы, указывающие на физику за пределами Стандартной модели.
Физики Бартош Форнал (Bartosz Fornal) и Бенджамин Гринштейн (Benjamín Grinstein) предлагают объяснить расхождение между результатами различных экспериментов с помощью темной материи. В самом деле, в «пучковом» способе предполагается, что в результате распада сто процентов нейтронов превращается в протоны плюс еще какие-нибудь менее массивные частицы (фотоны, нейтрино и так далее). Если же небольшая часть этих распадов будет происходить по «невидимому» каналу, то есть будет содержать в качестве конечных продуктов частицу темной материи, очень слабо взаимодействующую с веществом, то скорость распада занижается, и экспериментаторам кажется, будто нейтроны живут немного дольше.
Хотя статья физиков в Physical Review Letters вышла только на прошлой неделе, на сайте препринтов arXiv.org она была опубликована еще 3 января 2018 года. Поэтому несколько групп ученых уже успели применить идеи Форнала и Гринштейна в своей работе. В частности, группа исследователей из Америки и Франции — однако им так и не удалось зарегистрировать заметного сигнала, что исключает образование долгоживущих частиц темной материи в ходе распадов. Другие группы рассмотрели, как «невидимые» распады будут сказываться на эволюции нейтронных звезд — оказалось, что если бы такие распады действительно происходили, масса звезд быстро бы уменьшалась. Это противоречит наблюдениям; то есть в нейтронных звездах «невидимые» распады запрещены.
nplus1, 14 мая 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/05/14/dark-neutron
Physical Review Letters, 2018
Бартош Форнал (Bartosz Fornal) и Бенджамин Гринштейн (Benjamín Grinstein). Калифорнийский университет в Сан-Диего
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.191801
Глава 11-3-3
Эксперименты не нашли распады нейтрона на фотон и темную материю
Июль 2018
Американские физики экспериментально проверили предположение, что часть распадов нейтрона происходит с образованием частицы темной материи и фотона, и показали, что с достоверностью около 97 процентов такие распады не наблюдаются. Таким образом, проблема времени жизни нейтрона остается открытой. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Свободный протон стабилен с высокой степенью достоверности: в Стандартной модели время его жизни неограниченно, а альтернативные теории предсказывают время, много большее возраста Вселенной. Например, в наиболее простых теориях суперсимметрии (сокращенно SUSY) время распада протона составляет примерно 1030÷1036 лет, а экспериментально измеренное детектором Super-Kamiokande ограничение снизу достигает 1034 лет. Это на 25 порядков превышает возраст Вселенной, примерно равный 109 лет. С другой стороны, нейтрон, масса которого больше массы протона, легко распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино (бета-распад). Из-за этого нейтроны могут жить неограниченно долго только внутри атомного ядра, а время жизни свободных частиц не превышает 15 минут.
Тем не менее, ученые до сих пор не могут точно сказать, чему равно это время. Эксперименты по прямому измерению времени жизни частицы расходятся. Например, эксперименты с нейтронами, помещенными в ловушку с бутылочным потенциалом, приводят к значению 879,6±0,6 секунд, а оценка времени по содержанию протонов, образовавшихся в пучке нейтронов в результате бета-распада, дает величину 888±2 секунды.
Чтобы объяснить это расхождение, в начале этого года физики-теоретики Бартош Форнал (Bartosz Fornal) и Бенджамин Гринштейн (Benjamín Grinstein) предположили, что в части распадов нейтрона рождается не протон, а частица темной материи. Чтобы зарегистрировать такие частицы, нужно строить специальные сверхчувствительные установки, а через стандартные детекторы, которые ученые используют в экспериментах по определению времени жизни, темная материя проходит практически незаметно. В результате число распадов, происходящих в пучке, оказывается недооценено, а кажущееся время жизни нейтрона растет. Одно из предсказаний модели Форнала и Гринштейна — существование «наполовину видимых» каналов распада, в которых образуется как частица темной материи X, так и фотон, которые можно увидеть на практике.
nplus1, 12 июля 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/07/12/no-dark-neutron
Журнал Physical Review Letters,
Бартош Форнал (Bartosz Fornal) и Бенджамин Гринштейн (Benjamín Grinstein)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.022505