В то время как физики продолжают изо всех сил пытаться найти и объяснить происхождение темной материи, примерно 80% материи во Вселенной, которую мы не можем видеть и еще не смогли обнаружить, исследователи теперь предложили модель, которая описывает ее происхождение до Большого Хлопнуть.
Их идея состоит в том, что темная материя будет производиться в течение бесконечно малого периода инфляции, в течение которого размер Вселенной быстро увеличивается в геометрической прогрессии. Новая модель была опубликована в журнале Physical Review Letters тремя учеными из Техаса в США.
Увлекательная идея среди космологов заключается в том, что темная материя возникла в результате взаимодействия с термальной ванной некоторых видов, и что ее изобилие возникает в результате «вымораживания» или «вымерзания». В сценарии замерзания темная материя находится в химическом равновесии с ванной в самые ранние моменты времени — концентрация обеих материй не меняется с течением времени.
На замороженном изображении темная материя никогда не приходит в равновесие с ванной. Такое подавленное взаимодействие между темной материей и тепловой ванной может быть связано с взаимодействиями в квантовых теориях поля, либо замерзающими в инфракрасной области, либо замерзающими в ультрафиолетовой области.
Во время УФ-замораживания температура термической ванны всегда ниже массы частиц, которые связывают темную материю со Стандартной моделью физики элементарных частиц. (Масса и температура пропорциональны энергии и могут быть связаны через фундаментальные константы.)
Теория инфляции была разработана около 45 лет назад и постулирует период экспоненциально быстрого расширения в очень ранней Вселенной, в течение которого Вселенная расширялась в 1026 раз за 10–36 секунд. (После того как инфляция прекратилась, Вселенная продолжала расширяться, хотя и не экспоненциально.)
Миллиарды лет спустя темная энергия вызвала ускорение, которое мы наблюдаем сегодня.) Идея инфляции объясняет многие загадки космологии, такие как проблема плоскостности, проблема однородности и проблема монополии, а также объясняет происхождение структуры в Вселенная как квантовые флуктуации, которые чрезвычайно усилились.
Хотя на основании некоторых данных космологов инфляция в значительной степени принимается как часть картины Большого взрыва (хотя существуют значительные разногласия), движущая сила инфляции до сих пор неизвестна.
Космологи обычно называют его инфлатоном, гипотетическим полем, охватывающим все пространство-время скалярной частицы (с нулевым спином), возможно, поля Хиггса. (Может быть, и нет.) Инфляция происходит так быстро, что Вселенная находится в состоянии переохлажденного расширения, при котором температура падает в 100 000 раз.
Эта низкая температура сохраняется во время фазы инфляции. Когда инфляция заканчивается, температура возвращается к температуре до инфляции (процесс, называемый повторным нагревом), и поле инфляции распадается на частицы Стандартной модели, включая фотоны.
Исследования показали, что ванна может достигать температур, намного превышающих температуру повторного нагрева, а при замораживании ультрафиолетовым светом количество образующейся темной материи зависит от самой высокой температуры термальной ванны.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
Однако предыдущие исследования не рассматривали возможность того, что значительная часть темной материи может быть произведена, а не растворена во время инфляционного расширения.
В модели WIFI работы — Теплая инфляция посредством ультрафиолетового замораживания — темная материя создается посредством небольших и редких взаимодействий с частицами в горячей высокоэнергетической среде. Он содержит новый механизм, в котором это образование происходит непосредственно перед Большим взрывом во время космической инфляции, в результате чего темная материя создается в результате замерзания гораздо раньше, чем в существующих теориях.
Хотя это звучит необычно, многие космологи сегодня полагают, что инфляция произошла до Большого взрыва, потому что существование сингулярности Большого взрыва с бесконечной плотностью и бесконечной кривизной пространства-времени кажется нереальным.
Вместо этого, после инфляции, Вселенная будет небольшого размера, около 10-26 метров в диаметре, и оттуда начнутся стандартные этапы излучения и производства частиц, а затем произойдет нуклеосинтез для заселения Вселенной.
Теоретики предложили иной взгляд на роль инфляции в роли темной материи через замораживание.
«Уникальность нашей модели заключается в том, что темная материя успешно образуется во время инфляции», — сказала Кэтрин Фриз, директор Института теоретической физики Вайнберга и Техасского центра космологии и физики астрочастиц Техасского университета в Остине и ведущий автор исследования. бумага. «В большинстве случаев [other] Согласно моделям, все, что создается во время инфляции, «сдувается» экспоненциальным расширением Вселенной до такой степени, что практически ничего не остается».
В этом новом механизме вся темная материя, которую мы наблюдаем сегодня, могла быть создана в течение этого короткого периода инфляции до Большого взрыва. Квантовое поле, которое вызывает инфляцию, инфлатон, теряет часть своей энергии из-за излучения, а это излучение, в свою очередь, создает частицы темной материи посредством механизма замораживания. Что было до инфляции? Физики понятия не имеют.
Модель WIFI пока не может быть подтверждена наблюдениями. Но ключевая часть сценария – теплая инфляция – будет проверена в течение следующего десятилетия с помощью так называемых экспериментов с космическим микроволновым фоном. Подтверждение теплой инфляции стало бы важным шагом для сценария производства темной материи в модели WIFI.
«В нашем исследовании мы сосредоточились на производстве темной материи, но WIFI предполагает более широкую применимость», — сказал Бармак Шамс Эс Хаги, соавтор статьи с Габриэле Монтефальконе, — «например, на производстве других частиц, которые могли бы играть». решающую роль в развитии ранней Вселенной. Это открывает новые возможности для дальнейших исследований.
