Группа физиков из Великобритании и Германии под руководством Хартмута Гроте (Hartmut Grote) из Университета Кардиффа предложила новый метод поиска частиц легкой темной материи с использованием детекторов гравитационных волн.
Идея группы Гроте заключается в том, что из-за разного коэффициента отражения двух поверхностей разделяющего цилиндра, он взаимодействует с двумя лучами по-разному, и изменение размера цилиндра и коэффициента преломления света в нем из-за взаимодействия с полем легкой темной материи создает разницу в оптических длинах путей и без всяких гравитационных волн. Именно этот эффект физики и предложили искать. Для своего эксперимента они выбрали немецкий детектор гравитационных волн GEO600, так как он наиболее чувствителен к разнице в оптических длинах путей двух лучей.
Ученые рассмотрели три типа дилатонной темной материи. Первый из них представляет собой простейший вариант, в котором темная материя взаимодействует только с электроном и фотоном. Во второй теории темная материя взаимодействует аналогичным образом еще и с глюонным, и с кварковыми полями. Третья модель во многом похожа на вторую, но взаимодействие темной материи с полями Стандартной модели в ней возникает через смешивание дилатона с полем бозона Хиггса. Проанализировав данные, собранные GEO600, физики не обнаружили темной материи, описываемой ни одной из трех теорий.
Результаты исследования закрыли теории дилатонной темной материи для величин в диапазоне масс частиц от 10-13 до 10-11 электронвольт. Эти ограничения в данном интервале масс более чем на шесть порядков величины более строгие, чем те, которые были получены в спектроскопических экспериментах, и на четыре порядка лучше, чем в проверках принципа эквивалентности.
nplus1.ru, 21 декабря 2021, Андрей Фельдман
https://nplus1.ru/news/2021/12/21/light-scalar-dark-matter
Журнал Nature, 2021
Хартмут Гроте (Hartmut Grote) из Университета Кардиффа
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04031-y
Часть 11-16
Барионная темная материя. MACHO
Содержание
11-16-1. Природа частиц тёмной материи
11-16-2. Барионная темная материя.
11-16-3. Теоретическое рассмотрение
Глава 11-16-1
Природа частиц тёмной материи
Тёмная материя определяется по гравитационному взаимодействию с обычным веществом и излучением. Гипотетические частицы холодной темной материи — медленные (нерелятивистские), они очень слабо взаимодействуют друг с другом и с обычной материей и не излучают фотонов. Они подразделяются на слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP — weakly interacting massive particles) и слабо взаимодействующие легкие частицы (WISP — weakly interacting slim particles).
WIMP — это в основном частицы из теории суперсимметрии (суперсимметричные партнеры обычных частиц Стандартной модели) с массами больше нескольких килоэлектронвольт, такие как фотино (суперпартнер фотона), гравитино (суперпартнер гипотетического гравитона), и т. д. Наилучшим кандидатом на звание частицы темной материи из числа WIMP ученые сейчас считают нейтралино — это квантовая «смесь» суперпартнеров Z-бозона, фотона и бозона Хиггса.
На данный момент частицы с необходимыми свойствами открыты не были, но многие расширения стандартной модели предсказывают существование таких частиц. Поиск вимпов включает попытки прямого обнаружения высокочувствительными детекторами, а также попытки их создания на ускорителях частиц. Вимпы обычно рассматривают как наиболее вероятные кандидаты в составляющие тёмной материи.
Основной кандидат из группы WISP — аксион, возникающий в теории сильного взаимодействия и имеющий очень малую массу. Эта очень легкая (миллионные доли электронвольта) стабильная и электрически нейтральная частица способна в очень сильных магнитных полях превращаться в фотон-фотонную пару, что дает намек на то, как можно попытаться ее обнаружить в эксперименте.
Аксионы обладают теоретическим преимуществом, поскольку их существование может решить одну из проблем квантовой хромодинамики, но пока эти частицы обнаружены не были.
Не исключено, что темная материя — это MACHO или массивные компактные объекты гало являются крупными плотными объектами, такими как чёрные дыры, нейтронные звёзды, белые карлики, очень слабые звёзды или несветящиеся объекты типа планет. Поиск таких объектов заключается в использовании метода гравитационного линзирования для обнаружения влияния таких объектов на изображения галактик фона. Большинство экспертов считает, что ограничения, полученные из результатов поиска объектов, исключают MACHO из числа кандидатов в составляющие тёмную материю объекты.
Глава 11-16-2
Барионная темная материя. MACHO
По мере развития астрофизики и утверждения гипотезы о тёмной материи для ряда специалистов наиболее естественным было предположение, что тёмная материя состоит из обычного, барионного вещества, по каким-либо причинам слабо взаимодействующего электромагнитным образом и потому необнаружимого при исследовании, к примеру, линий излучения и поглощения. Кандидатами на роль подобных объектов могли бы быть планеты, коричневые карлики, красные карлики, белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры. Астрофизик Ким Грайст (англ. Kim Griest) предложил для их обозначения термин MACHO (массивный астрофизический компактный объект гало, англ. massive astrophysical compact halo object). Этот акроним, намекающий на исп. macho — «мачо, мужлан», является противопоставлением ранее предложенному Майклом Тёрнером (англ. Michael S. Turner) термину WIMP для гипотетических небарионных слабо взаимодействующих массивных элементарных частиц (англ. wimp — «зануда, слабак»).
Однако, судя по всему, доля барионного вещества в составе тёмной материи мала. Во-первых, эксперименты по поиску объектов MACHO в гало нашей Галактики путём выявления событий гравитационного микролинзирования света звёзд привели к заключению, что доля таких компактных объектов, по крайней мере с массами в диапазоне от 10−7 до 102 масс Солнца, составляет не более 8 %. С другой стороны, ни один известный тип кандидатов на роль составляющих тёмной материи не соответствует наблюдательным данным по её количеству. Кроме того, из космологических соображений следует, что соотношение первичных концентраций лёгких элементов, в особенности доля дейтерия (наблюдаемое в самых старых астрономических объектах), свидетельствует о достаточно малом вкладе барионов в полную плотность Вселенной — всего 4,5 % от значения критической плотности, тогда как полученные независимыми методами оценки массы всего вещества дают 20-30 % этого значения.
Типы
Считается, что к объектам MACHO могут относиться чёрные дыры, и существует предположение о возможном наличии гало из чёрных дыр вокруг Млечного Пути.
Чёрные дыры иногда обнаруживаются по гало яркого газа и пыли, образующемуся по мере разрушения притяжением чёрной дыры аккреционного диска. Подобный диск может создавать джеты газа, выбрасываемого из окрестностей чёрной дыры. Изолированная же чёрная дыра не будет обладать аккреционным диском и может быть обнаружена лишь по гравитационному линзированию.
Космологи подвергают сомнению утверждение о том, что MACHO составляют значительную часть тёмной материи, поскольку чёрные дыры располагаются в отдельных точках галактики. Но наибольшая часть объектов, составляющих тёмную материю, должна быть равномерно распределённой по галактике для уравновешивания гравитации. Некоторые физики, например, Джордж Чаплин[англ.] (англ. George Chapline) и Роберт Лафлин (англ. Robert B. Laughlin) считают, что принятая модель чёрных дыр некорректна и должна быть заменена новой моделью: так называемой гипотезой о звёздах тёмной энергии. В общем случае для новой модели распределение тёмной энергии будет клочковатым, а звёзды тёмной энергии основного типа могут являться возможными кандидатами MACHO.
Нейтронные звёзды, в отличие от чёрных дыр, недостаточно тяжелы для полного коллапса, вместо этого они формируют вещество, более похожее по свойствам на атомные ядра (иногда неформально называемое нейтронием). После некоторого времени такие звёзды могут излучать достаточное количество энергии, чтобы охладиться и перестать быть наблюдаемыми. Аналогично старые белые карлики также могут остыть и превратиться в чёрные карлики, хотя Вселенная имеет для этого слишком малый возраст.
Другими кандидатами на роль MACHO являются коричневые карлики. Иногда их называют неудавшимися звёздами, поскольку они не обладают достаточной массой для того, чтобы начать термоядерные реакции. Следовательно, единственным источником энергии для них является гравитационное сжатие; такие звёзды могут быть видимыми в некоторых условиях. Массы коричневых карликов составляют от 13 до 75 масс Юпитера.
Глава 11-16-3
Теоретическое рассмотрение
Теоретические рассмотрения показали, что вероятность большого вклада старых объектов MACHO в современное количество тёмной материи во Вселенной мала. Согласно современным представлениям, во время Большого взрыва не могло сформироваться достаточного количества барионов. Отдельные наблюдения барионных акустических осцилляций как в микроволновом фоне, так и в крупномасштабном распределении галактик, дают ограничения на отношение количества ба