|
Насколько легкой может быть бозонная темная материя
|
|
|
|
В новом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, ученые определили новую нижнюю границу массы сверхлегких частиц бозонной темной материи. Предполагается, что темная материя, составляющая около 85% вещества во Вселенной, ускользает от прямого наблюдения. О ее существовании можно судить только по ее гравитационному воздействию на космические структуры.
|
|
|
|
Из-за этого ученые не смогли определить природу темной материи и, следовательно, ее массу. Согласно нашей современной модели квантовой механики, все фундаментальные частицы должны быть либо фермионами, либо бозонами.
|
|
|
|
Предыдущая работа успешно установила нижнюю границу массы темной материи (если она фермионная), используя принцип исключения Паули.
|
|
|
|
Принцип исключения Паули не позволяет двум фермионам (электронам, протонам, нейтронам) занимать одно и то же квантовое состояние одновременно. Однако это не относится к бозонам (фотонам, глюонам, частицам Хиггса).
|
|
|
|
Phys.org поговорил с первым автором исследования Тимом Циммерманом, кандидатом философии в Институте теоретической астрофизики Университета Осло.
|
|
|
|
|
|
|
Циммерман сказал: "С точки зрения астрофизики, продуктивным способом ограничить свойства темной материи является извлечение из наблюдений того, чем она не является. В этой работе мы устанавливаем новое фундаментальное ограничение на массу частицы темной материи, предполагая, что она относится к категории сверхлегких бозонов".
|
|
|
|
Согласно их исследованию, масса сверхлегкой бозонной темной материи должна составлять более 2*10^-21 электрон-вольт (эВ), что в 100 раз больше, чем предыдущие оценки с использованием принципа неопределенности Гейзенберга.
|
|
|
|
Кинематические наблюдения Лев II
|
|
|
|
Метод команды основан на данных о галактике Leo II, спутнике Млечного Пути. Это карликовая галактика, которая в 1000 раз меньше Млечного Пути.
|
|
|
|
"Все, что нам нужно, - это один-единственный снимок того, как выглядит Лев II. Интерпретация этого снимка оказывается довольно простой, поскольку он является близким соседом Млечного Пути, и, таким образом, нам не требуется моделировать дополнительные явления, такие как расширение Вселенной, для интерпретации этого снимка", - сказал Циммерманн.
|
|
|
|
Изучая движение звезд в созвездии Льва II, исследователи могут сделать вывод о том, как распределяется темная материя в галактике. Это объясняется тем, что движение звезд определяется гравитационным воздействием общей массы галактики, включая темную материю.
|
|
|
|
"Мы используем все, что знаем о Leo II, особенно о том, как он выглядит изнутри. Мы делаем все возможное и решаем уравнение Шредингера, чтобы определить все возможные состояния, в которых может существовать темная материя. Наш результат является исчерпывающим и основан только на физических принципах", - пояснил Циммерманн.
|
|
|
|
Команда создала 5000 возможных профилей плотности темной материи, которые согласуются с наблюдаемой кинематикой звезд в Leo II. Для этого они использовали инструмент для отбора проб методом цепей Маркова и Монте-Карло под названием GRAVSPHERE, который решает уравнение Джинса для определения профиля плотности темной материи.
|
|
|
|
Затем они сравнили эти профили, основанные на наблюдениях, с профилями плотности, созданными квантовыми волновыми функциями, представляющими темную материю с различными возможными массами.
|
|
|
|
Установив нижнюю границу и смешанную темную материю
|
|
|
|
Исследователи обнаружили, что когда частица темной материи слишком легкая (менее 2,2*10^-21 эВ), квантовые волновые функции не могут воспроизвести наблюдаемое распределение плотности темной материи из-за фундаментальных ограничений, вытекающих из принципа неопределенности.
|
|
|
|
Принцип неопределенности ограничивает то, насколько точно могут быть известны одновременно положение и импульс частицы.
|
|
|
|
В случае очень легких частиц темной материи это создает квантовую нечеткость, при которой они ведут себя скорее как волны, чем как локализованные частицы. Эта квантовая нечеткость не позволяет темной материи концентрироваться в небольших областях.
|
|
|
|
Для подтверждения своих результатов исследователи разработали вычислительный инструмент под названием JAXSP. Этот инструмент позволил им реконструировать волновые функции частиц темной материи и определить, могут ли они воспроизвести те, которые наблюдаются в профилях плотности Leo II.
|
|
|
|
С помощью статистического анализа они смогли определить точку, в которой масса частиц стала слишком мала для учета наблюдаемой структуры галактики.
|
|
|
|
По сравнению с предыдущими исследованиями, исследователи улучшили нижнюю границу массы темной материи на два порядка.
|
|
|
|
Полученные результаты имеют важное значение для популярных моделей сверхлегкой темной материи, в частности, для нечеткой темной материи, которая обычно предполагает частицы с массами около 10-22 эВ.
|
|
|
|
"Нечеткая темная материя с энергией 10^-22 эВ уже находилась под сильным давлением множества независимых исследований до нашей работы", - заявил Циммерманн.
|
|
|
|
"Что изменилось, так это то, что теперь мы можем сделать этот вывод более уверенно, просто потому, что даже если не использовать все эти причудливые модели расширения Вселенной, поглощения света газом или эволюции звезд на протяжении миллионов лет, наш результат по-прежнему исключает существование темной материи".
|
|
|
|
Заглядывая в будущее, команда стремится исследовать смешанные модели темной материи.
|
|
|
|
"Все более популярной идеей в сообществе феноменологов темной материи становится смешанная темная материя, идея о том, что темная материя состоит не только из одной частицы с одной массой, но и из множества частиц с разными массами", - объяснил Циммерман.
|
|
|
|
"Расширение нашего анализа до этого сценария, обеспечивающего надежный предел для смешанной темной материи, основанный только на информации о локальной Вселенной, является естественным шагом вперед".
|
|
|
|
Источник
|
