Темные фотоны: новый взгляд на загадку темной материи

Недавние исследования предполагают, что если темная материя состоит из "темных фотонов", то она не нагревала раннюю вселенную так, как считалось ранее. Это открытие может стать поворотным моментом в поисках самой загадочной субстанции во вселенной. Темная материя остается неуловимой, поскольку, несмотря на то, что она в пять раз превышает по массе обычную материю, из которой состоят звезды, планеты и даже наши тела, она фактически невидима. Это связано с тем, что темная материя не взаимодействует со светом. В отличие от нее, электроны, протоны и нейтроны взаимодействуют с электромагнитным излучением, что вдохновило ученых на поиски частиц, выходящих за пределы Стандартной модели физики частиц. В результате было предложено множество гипотетических кандидатов на роль темной материи. Одним из таких кандидатов являются темные фотоны — эквиваленты фотонов в темной вселенной, которые переносят силу, отличную от электромагнетизма, за которую отвечают стандартные фотоны. Ранее ученые полагали, что темные фотоны будут преобразовываться в обычные фотоны, находясь в плотной среде ранней вселенной. Это, в свою очередь, должно было дополнительно нагреть уже и без того раскаленный плазменный коктейль и оставить заметные следы темных фотонов. Такое предположение значительно ограничивало параметры поиска темных фотонов, и многие космологические наблюдения фактически исключали их существование. Однако новые компьютерные симуляции показывают, что прежние выводы о темных фотонах могли быть поспешными. Исследования показывают, что преобразование темных фотонов в фотоны могло прекратиться до того, как произошло значительное нагревание. "Эти исключения утверждали, что сила темной материи должна быть в 10^8 раз слабее, чем она может быть на самом деле", — отметил член команды Ансон Хук из Университета Мэриленда. "Эта работа открывает множество новых возможностей для поиска темной материи". Команда исследователей впервые заметила, что преобразование темных фотонов в фотоны может быть не таким простым, как считалось ранее, когда они осознали, что вовлеченная энергия подозрительно велика. Проблема, как они начали подозревать, заключалась в том, что этот процесс рассматривался как линейный; другими словами, энергия постепенно и равномерно преобразовывалась в плазму. "Лечение за последние 15 лет было линейным. Если использовать это приближение, можно вычислить количество передаваемой энергии, и оно очень велико", — добавил член команды Джунву Хуан из Института Периметра. "И я понял, что это невозможно". Проведя свои первые компьютерные симуляции, Хуан и его коллеги поняли, что линейный процесс не отражает полной картины. "Мы поняли, что, преобразуя энергию в плазму Стандартной модели, плазма начинает вести себя неадекватно", — сказал Хуан. "В системе существует множество нелинейностей, и эти нелинейности фактически отключают преобразование энергии после того, как небольшое количество энергии было преобразовано". Это исследование представляет собой значительное расширение параметров, в которых могут существовать темные фотоны, значительно увеличивая метафорическую охоту за ними. На самом деле, это также может повлиять на поиски гипотетических частиц, выходящих за пределы Стандартной модели физики частиц. "Правильный расчет плазмы ранней вселенной позволит экспериментам исследовать новые параметры и потенциально увидеть что-то", — отметил член команды Мохамад Шалаби из Института Периметра. Работа команды была опубликована 13 августа в журнале Physical Review Letters.