Astrofysici zijn al tientallen jaren op zoek naar donkere materie, maar deze zoekopdrachten hebben tot dusver teleurstellende resultaten opgeleverd. In een recente studie, twee onderzoekers van het Weizmann Institute of Science en de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem in Israël hebben een nieuw theoretisch raamwerk geïntroduceerd dat een mechanisme schetst van elementaire thermische donkere materie met een massa tot 10 ¹⁴ GeV.

De donkere materie die in hun werk wordt beschouwd, bestaat uit verschillende bijna gedegenereerde deeltjes die zich in de naaste-buurketen verspreiden op een manier die is afgestemd op het standaardmodel dat wordt gebruikt in donkere materie-onderzoeken. Het nieuwe raamwerk dat door deze onderzoekers wordt gepresenteerd, geschetst in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , zou uiteindelijk kunnen leiden tot toekomstige zoekopdrachten naar zware donkere materie.

"De aard van donkere materie is een al lang bestaand probleem in de moderne natuurkunde, "Hungjin Kim, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Een deeltje dat zo zwaar is als het Higgs-deeltje, en is betrokken bij interacties waarvan de kracht die van de elektrozwakke interactie is, wordt beschouwd als een bijzonder goed gemotiveerde kandidaat voor donkere materie, zoals het vaak van nature voorkomt bij het aanpakken van een ander belangrijk probleem:de hiërarchie tussen de elektrozwakke schaal en de Planck-schaal."

Het deeltje waarvan wordt gedacht dat het een goede kandidaat voor donkere materie is, bekend als een zwak interactief massief deeltje (WIMP), zou op natuurlijke wijze kunnen worden geproduceerd uit interacties tussen standaardmodeldeeltjes in het vroege heelal terwijl ze in thermisch evenwicht zijn. Dit specifieke proces wordt het 'thermische uitvriesmechanisme' genoemd.

Gebaseerd op de huidige astrofysicatheorie, de uiteindelijke overvloed aan WIMP's in ons universum van vandaag zou dus ongevoelig zijn voor details van beginvoorwaarden of modelparameters. Echter, een veel voorkomende overlevering afkomstig uit een artikel uit 1990 van Kim Griest en Marc Kamionkowski suggereert dat dit thermische uitvriesmechanisme niet werkt wanneer donkere materie zwaarder is dan 100 TeV (d.w.z. duizend keer zwaarder dan het Higgs-deeltje).

"In ons recente artikel we bewijzen dat deze algemene kennis onjuist is en laten zien dat thermische bevriezing mogelijk is, zelfs als donkere materie enkele ordes van grootte zwaarder is dan de Higgs-massa, als er een reeks donkere deeltjes is die van de standaardmodeldeeltjes verstrooien met interacties met de naaste buren, "Eric Kuflik, de andere onderzoeker achter het onderzoek, zei. "De overvloed aan overblijfselen van de donkere materie wordt vervolgens bepaald door stochastische interacties tussen de donkere deeltjes en de standaardmodeldeeltjes."

Het door Kim en Kuflik voorgestelde mechanisme beschrijft een reeks donkere materiedeeltjes die verstrooid worden met gewone materie door interacties van naaste buren, die tussen soorten wisselen. Met andere woorden, het suggereert dat de donkere materie een 'willekeurige wandeling' maakt tussen donkere materiesoorten, voortdurend van identiteit veranderen. Op basis van het door de onderzoekers geïntroduceerde raamwerk, daarom, de hoeveelheid donkere materie wordt thermisch bepaald in het vroege heelal, waardoor extreem zware donkere materiemassa's mogelijk zijn.

"We hebben aangetoond dat donkere materie kan worden geproduceerd uit het thermale bad van het vroege universum terwijl het in thermisch evenwicht is, zelfs voor donkere materie massa's die aanzienlijk zwaarder zijn dan conventionele wijsheid zou toestaan, " legde Kim uit. "Interessant, de overvloed aan donkere materiedeeltjes in ons scenario hangt alleen af ​​van de interactiesterkte van de donkere deeltjes met de standaardmodeldeeltjes."

Het nieuwe raamwerk ontwikkeld door Kim en Kuflik zou belangrijke implicaties kunnen hebben voor studies die de kosmische microgolfachtergrond onderzoeken, structuurvorming en kosmische straling. In aanvulling, het zou kunnen dienen als een benchmark voor experimentele zoekopdrachten met zware donkere materie, omdat het suggereert dat verval tot gewone materiedeeltjes in het late heelal interessante astrofysische en kosmologische handtekeningen zou kunnen achterlaten, waar onderzoekers naar konden zoeken bij het zoeken naar donkere materie.

"Er zijn twee veelbelovende richtingen die we hopen te volgen in ons toekomstige werk, ' zei Kim. 'Eerst, ons mechanisme voorspelt onvermijdelijk dat donkere materiedeeltjes in de loop van de geschiedenis van het universum vervallen tot standaardmodeldeeltjes. Dit kan interessante astrofysische handtekeningen achterlaten, zoals kosmische straling met ultrahoge energie enzovoort. De implicaties voor de kosmologie zijn ook interessant."

Tot dusver, Kim en Kuflik hebben het basisidee van superzware donkere materie beschreven en er een 'simpel speelgoedmodel' van gemaakt door de interactiesterkte tussen donkere deeltjes en standaardmodeldeeltjes te parametreren. In hun volgende studies, echter, Kim en Kuflik zijn van plan een gedetailleerde studie uit te voeren van deeltjesfysica-theorieën die hun mechanisme van superzware thermische donkere materie zouden kunnen realiseren.

"Expliciete realisaties in de deeltjesfysica zullen helpen om de volledige reeks experimentele signalen te identificeren die door het mechanisme worden voorspeld, die ons de beste manier zal leren om dergelijke donkere materie uit te sluiten of te detecteren, " voegde Kuflik eraan toe.

© 2019 Wetenschap X Netwerk