Новое исследование изменило взгляд на темные фотоны

Темная материя остается одной из главных нерешенных проблем современной физики: ее гравитационное влияние помогает объяснять движение звезд в галактиках, но состав этой материи до сих пор неизвестен. Новое исследование вновь сделало темные фотоны возможными кандидатами на эту роль, пишет Naked Science.

Среди наиболее обсуждаемых гипотетических частиц темной материи долгое время рассматривались вимпы, аксионы и темные фотоны. Вимпы описывают как тяжелые частицы, которые слабо взаимодействуют с обычным веществом, а аксионы — как чрезвычайно легкие частицы. Темные фотоны похожи на обычные фотоны, но относятся к так называемому темному сектору — области физики за пределами Стандартной модели.

Ранее от версии с темными фотонами почти отказались из-за расчетов, связанных с ранней Вселенной. Согласно прежним моделям, такие частицы должны были заметно нагревать вещество в молодом космосе, когда он был заполнен горячей плазмой из свободных электронов и ионов.

Считалось, что в определенный момент частота колебаний плазмы могла совпасть с массой темного фотона. В таком случае возникал резонанс, при котором энергия легко передается от одного процесса к другому. По этой логике темные фотоны должны были отдать плазме значительную часть энергии и нагреть ее.

Такой нагрев, как предполагалось, должен был оставить следы в наблюдаемой Вселенной, например изменить свойства реликтового излучения. Поскольку подобных изменений не нашли, физики сделали вывод, что темные фотоны не могли быть основой темной материи в ранее рассматриваемом диапазоне параметров.

Авторы новой работы решили проверить, действительно ли плазма продолжала бы эффективно поглощать энергию темных фотонов после начала резонанса. Для этого они провели компьютерное моделирование, в котором отдельно отслеживали поведение электронов и ионов.

Такой подход отличается от прежних расчетов, где плазму в основном рассматривали как линейную систему. В этих моделях предполагалось: если передача энергии началась, то она должна продолжаться. Однако более подробное моделирование показало, что реальная плазма ведет себя сложнее.

Сначала темные фотоны действительно передавали энергию электронам и возбуждали в плазме ленгмюровские волны. Но по мере роста их энергии в системе возникали и другие колебания, включая ионно-акустические волны. Они создавали небольшие различия плотности плазмы в разных областях.

Из-за этих неоднородностей условия для быстрого резонанса нарушались. В результате передача энергии от темных фотонов к плазме быстро замедлялась. Иными словами, сама плазма препятствовала продолжению процесса, который в прежних моделях считался главным аргументом против этой гипотезы.

По итогам работы прежние ограничения для темных фотонов оказались значительно слабее. В зависимости от массы частицы допустимая сила ее взаимодействия с обычным веществом может быть в 3 тысячи — 10 миллионов раз выше, чем считалось ранее.

Это не означает, что существование темных фотонов доказано. Исследование также не подтверждает, что именно они составляют темную материю. Однако авторы показали, что один из важных космологических доводов против такой версии оказался менее надежным.

Результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, возвращают темные фотоны в число возможных целей для будущих экспериментов по поиску частиц темной материи.