Физики «вернули к жизни» гипотезу о темных фотонах

Темная материя (ТМ) — один из самых больших вопросов современной физики. В ее существовании ученые практически не сомневаются: именно ее гравитационное воздействие на галактики удерживает звезды, составляющие эти галактики, вместе. Правда, из чего она состоит по-прежнему неизвестно, и исследователи рассматривают самые разные варианты, включая гипотетические частицы.  

Среди наиболее известных кандидатов присутствуют вимпы (WIMP) и аксионы.  Причем в последние десять лет физики все чаще критикуют обе эти идеи. Первые представляют собой тяжелые частицы, слабо взаимодействующие с обычным веществом, а вторые — чрезвычайно легкие частицы. Еще один вариант — темные фотоны. Они похожи на обычные фотоны, но относятся к так называемому темному сектору —  пока неизвестной физике за пределами Стандартной модели.

От гипотезы о темных фотонах физики почти отказались после того, как расчеты показали, что эти частицы должны заметно нагревать вещество в ранней Вселенной. Тогда космос был заполнен горячей плазмой — смесью свободных электронов и ионов. По прежним моделям, в какой-то момент частота колебаний плазмы могла совпасть с массой темного фотона. Это называется резонансом: когда частоты совпадают, энергия особенно легко переходит от одного колебания к другому. В результате темные фотоны должны были передать плазме значительную часть своей энергии и нагреть ее. 

Эксперимент по обнаружению аксионов и темных фотонов принес первые результаты У современной науки есть огромная проблема — нужно либо найти хоть какие-то частицы темной материи, либо с нуля переписать всю космологию и фундаментальную физику. Вторая опция, конечно, совсем со … naked-science.ru

Такой нагрев не мог оказаться незаметным. Он должен был оставить след в наблюдаемой Вселенной, например, изменить свойства реликтового излучения. Но поскольку таких изменений не обнаружили, ученые решили, что темные фотоны не могли передавать плазме столько энергии, а значит, их существование оказалось под вопросом. 

Именно эти ограничения решили пересмотреть авторы нового исследования. Чтобы понять, действительно ли плазма будет продолжать поглощать энергию темных фотонов после начала резонанса, физики провели компьютерное моделирование. В нем они отдельно отслеживали поведение электронов и ионов. Это важный подход: в прежних расчетах плазму рассматривали преимущественно как линейную систему: если передача энергии началась, то должна была продолжаться. 

Однако в реальной плазме все оказалось сложнее. Сначала темные фотоны действительно передавали энергию электронам, возбуждая в плазме особые колебания — ленгмюровские волны. Но по мере роста их энергии в системе появлялись другие колебания, в том числе ионно-акустические волны, что приводили к небольшим изменениям плотности плазмы в разных местах. 

Физики нашли способ использовать магнитное поле Земли для охоты за темной материей Ученые до сих пор не уверены, существует ли темная материя, — эксперименты и теории все время сужают зоны поиска, но стопроцентного доказательства у нас нет. При этом именно темная материя может уд… naked-science.ru

Из-за этих колебаний плазма становилась неоднородной, и условия для быстрого резонанса нарушались. Передача энергии от темных фотонов к плазме быстро замедлялась — фактически плазма сама не давала этому процессу продолжаться. 

По итогу прежние ограничения на темные фотоны оказались много слабее, чем считалось. В зависимости от массы частицы допустимая сила ее взаимодействия с обычным веществом может быть в 3000–10 миллионов раз больше прежних оценок. Значит, диапазон параметров, который раньше считался практически исключенным, снова можно рассматривать. 

Результаты научной работы, опубликованные в журнале Physical Review Letters, не доказывают, что темные фотоны существуют или что именно из них состоит темная материя. Тем не менее физики показали, что один из главных космологических аргументов против этой гипотезы оказался не таким надежным, как считалось. Так что темные фотоны снова становятся возможной целью для будущих поисков гипотетических частиц ТМ.