HYPER (Karakteristik Etkileşimli Parçacık Etkileri) – karanlık madde için yeni bir model

Erken evrendeki bir faz geçişi, normal ve karanlık madde arasındaki etkileşimin gücünü değiştirir.

Karanlık madde, modern fiziğin en büyük gizemlerinden biri olmaya devam ediyor. Açıkçası, var olmalı, çünkü örneğin karanlık madde olmadan galaksilerin hareketi açıklanamaz. Ancak karanlık madde hiçbir zaman bir deneyde tespit edilememiştir.

Şu anda, yeni deneyler için pek çok teklif var: Karanlık maddeyi, tespit ortamının atom çekirdeğinin bileşenlerinden, yani protonlardan ve nötronlardan saçılması yoluyla doğrudan tespit etmeyi hedefliyorlar.

Bir araştırma ekibi – Michigan Üniversitesi’nden Robert McGee ve Aaron Pearce ve Almanya, Mainz’deki Johannes Gutenberg Üniversitesi’nden Geli Ellor – yeni bir karanlık madde adayı önerdi: HYPER veya “Yüksek Etkileşimli Parçacıklı Kalıntılar.”

HYPER modelinde, erken evrende karanlık maddenin oluşmasından bir süre sonra, sıradan maddeyle etkileşiminin gücü aniden arttı – bu, bir yandan onu bugün tespit edilebilir kılarken, aynı zamanda çok sayıda karanlığı açıklayabilir. Şey.

Bu NASA Hubble Uzay Teleskobu görüntüsü, yaklaşık 1.000 gökada ve trilyonlarca yıldız içeren dev gökada kümesi Abell 1689’un merkezindeki karanlık maddenin dağılımını gösteriyor.
Karanlık madde, evrenin kütlesinin çoğunu oluşturan maddenin görünmez bir şeklidir. Hubble, karanlık maddeyi doğrudan göremez. Gökbilimciler, Abell 1689’un arkasındaki gökadalardan gelen ışığın küme içindeki maddenin girişimiyle bozulduğu kütleçekimsel merceklenmenin etkisini analiz ederek konumunu çıkardılar.
Araştırmacılar, kümedeki karanlık maddenin yerini ve miktarını hesaplamak için 42 arka plan gökadanın 135 mercekli görüntüsünün gözlemlenen konumlarını kullandılar. Çıkarılan karanlık madde konsantrasyonlarını, Hubble’ın Gelişmiş Araştırma Kamerası tarafından çekilen bir küme görüntüsüne mavi olarak eşlediler. Kümenin yerçekimi yalnızca görünür gökadalardan gelseydi, merceklenme bozulmaları çok daha zayıf olurdu. Harita, karanlık maddenin en yoğun konsantrasyonunun kümenin merkezinde olduğunu ortaya koyuyor.
Abell 1689, Dünya’dan 2,2 milyar ışıkyılı uzaklıkta yer almaktadır. Fotoğraf Haziran 2002’de çekildi.
Görsel kaynak: NASA, ESA, D. Coe (NASA Jet Propulsion Laboratory / California Institute of Technology, Space Telescope Science Institute), N. Benitez (Astrophysical Institute of Endülüs, İspanya), T. Broadhurst (University of the Basque Country, İspanya ) ve H Ford (Johns Hopkins Üniversitesi)

Karanlık madde sektöründeki yeni çeşitlilik

Ağır karanlık madde parçacıkları veya WIMPS arayışı henüz başarıya ulaşmadığından, araştırma topluluğu alternatif karanlık madde parçacıkları, özellikle de daha hafif olanlar arıyor. Araştırmacılar, aynı zamanda, genellikle karanlık sektörde faz geçişleri beklenebilir – sonuçta, görünür sektörde birçok geçiş var, diyor araştırmacılar. Ancak önceki çalışmalar bunu ihmal etme eğilimindedir.

“Bazı planlanmış deneylerin başarmayı umduğu, kütle aralığı için tutarlı bir karanlık madde modeli olmadı. Ancak, HYPER modelimiz, faz geçişinin aslında maddenin Karanlık olanların daha kolay tespit edilmesini sağlayabileceğini gösteriyor.

Uygun bir model için zorluk: Karanlık madde sıradan madde ile güçlü bir şekilde etkileşime girerse, erken evrende ne kadar (kesin olarak biliniyorsa) oluştuğu çok küçük olacaktır, bu da astrofiziksel gözlemlerle çelişir. Bununla birlikte, doğru miktarda üretilirse, etkileşim, mevcut deneylerde karanlık maddeyi tespit etmek için çok zayıf olacaktır.

“HYPER modelinin temelini oluşturan ana fikrimiz, etkileşimin birdenbire değişmesi – böylece her iki dünyanın da en iyisini elde edebiliriz: doğru miktarda karanlık madde ve onu tespit edebilmemiz için çok fazla etkileşim.” dedi McGee.

Ve araştırmacılar bunu şu şekilde tasavvur ediyorlar: Parçacık fiziğinde, etkileşime genellikle belirli bir parçacık, sözde ortam aracılık ediyor – ve karanlık maddenin sıradan madde ile etkileşimi de öyle. Hem karanlık maddenin bileşimi hem de algılama işlevi, etkileşimin gücü kütlesine bağlı olarak bu ortam aracılığıyla gerçekleşir: kütle ne kadar büyükse, etkileşim o kadar zayıftır.

Ortam, önce doğru miktarda karanlık madde oluşması için yeterince ağır olmalı ve daha sonra karanlık maddenin hiç tespit edilebilmesi için yeterince ışık olmalıdır. Çözüm: Karanlık maddenin oluşumundan sonra ortamın kütlesinin aniden azaldığı bir faz geçişi olmuştur.

Pearce, “Yani, bir yandan karanlık madde miktarı sabit kalırken, diğer yandan etkileşim, karanlık madde doğrudan tespit edilebilecek şekilde geliştiriliyor veya güçlendiriliyor” dedi.

Yeni model, planlanan deneylerin neredeyse tüm parametre aralığını kapsıyor

Ellor, “HYPER karanlık madde modeli, yeni deneylerin mümkün kıldığı neredeyse tüm aralığı kapsayabilir.” Dedi.

Spesifik olarak, araştırma ekibi ilk olarak, bir atom çekirdeğinin protonları ve nötronları ile etkileşim ortamının maksimum kesitinin astronomik gözlemler ve bazı parçacık fiziği ayrıştırmalarıyla tutarlı olduğunu düşündü. Bir sonraki adım, bu etkileşimi gösteren bir karanlık madde modeli olup olmadığını görmekti.

McGee, “Ve geçiş fikrini burada bulduk,” dedi. “Daha sonra evrende bulunan karanlık madde miktarını hesapladık ve hesaplamalarımızı kullanarak faz geçişini simüle ettik.”

Sabit miktarda karanlık madde gibi akılda tutulması gereken bir dizi sınırlama vardır.

“Burada, sistematik olarak birkaç senaryoyu dikkate almalı ve dahil etmeliyiz, örneğin, ortamımızın aniden yeni karanlık madde oluşumuna yol açmasının gerçekten kesin olup olmadığı sorusunu sormak, ki bu elbette olması gerekmiyor.” Ellor dedi. . “Ama sonunda HYPER modelimizin işe yaradığına ikna olduk.”

Araştırmanın dergide yayımlanması Fiziksel inceleme mektupları.

Referans: Jelly Ellor, Robert McGee ve Aaron Pierce tarafından yazılan “Yüksek Etkileşime Sahip Karanlık Madde Parçacıklarını Kullanarak Doğrudan Tespiti En Üst Düzeye Çıkarma”, 20 Ocak 2023, Buradan Erişilebilir. Fiziksel inceleme mektupları.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.031803