Учёные пересмотрели ограничения на тёмные фотоны в ранней Вселенной
Новое исследование показывает, что гипотетические тёмные фотоны, один из возможных кандидатов на роль тёмной материи, могли практически не нагревать плазму ранней Вселенной. Результат ставит под сомнение прежние космологические ограничения на свойства этих частиц и открывает для экспериментов большой диапазон параметров, который ранее считался недоступным для поиска.
Тёмный фотон — гипотетическая частица, которая может быть связана с тёмным сектором и взаимодействовать с обычной материей значительно слабее обычного фотона. Ранее физики предполагали, что в горячей плазме ранней Вселенной тёмные фотоны могли превращаться в обычные фотоны, передавая энергию заряженным частицам. Считалось, что такое преобразование должно было нагревать плазму и оставлять наблюдаемые космологические следы.
Именно на этом предположении в течение многих лет строились ограничения на возможные свойства тёмных фотонов. Однако исследователи из Института Периметра Джунву Хуан и Мохамад Шалаби совместно с Ансоном Хуком из Университета Мэриленда провели более подробное моделирование процессов в ранней плазме.
Оказалось, что прежние расчёты недостаточно учитывали нелинейное поведение плазмы. В стандартном подходе преобразование энергии тёмных фотонов в обычное электромагнитное излучение рассматривалось как относительно постепенный и линейный процесс. Новые компьютерные симуляции показали, что после начала передачи энергии плазма быстро переходит в сильно нелинейное состояние.
Эти нелинейные процессы практически останавливают дальнейшее преобразование энергии после того, как в плазму передаётся лишь небольшая её часть. В результате значительного нагрева ранней Вселенной не происходит, а основанные на таком нагреве ограничения на существование тёмных фотонов оказываются неприменимыми.
По расчётам исследователей, пересмотреть необходимо ограничения для тёмных фотонов в диапазоне масс примерно от 10⁻¹⁵ до 10⁻⁶ электронвольта. Этот диапазон соответствует приблизительно радиочастотам от килогерц до гигагерц и охватывает около десяти порядков по массе частицы.
Таким образом, область параметров, которая ранее считалась исключённой космологическими наблюдениями, снова становится доступной для экспериментального поиска. Учёные считают, что это существенно расширяет возможности обнаружения тёмных фотонов и других гипотетических частиц тёмной материи.
Исследователи также отмечают, что значение работы выходит за рамки конкретной модели тёмных фотонов. Нелинейные процессы в плазме могут играть важную роль и в других астрофизических системах. Поэтому некоторые ограничения, полученные с использованием линейных приближений, в будущем могут потребовать пересмотра, в том числе при изучении магнитосфер нейтронных звёзд и белых карликов.
Авторы подчёркивают, что результат стал возможен благодаря объединению методов физики элементарных частиц и физики плазмы. Более точный учёт поведения плазмы ранней Вселенной может помочь определить новые направления поиска частиц, которые до сих пор считались практически недоступными для экспериментов.
Исследование в журнале Physical Review Letters.