Axionen en donkere fotonen zijn twee van de meest veelbelovende soorten deeltjes voor het onthullen van nieuwe fysica. Het scalaire axionveld verklaart de afwezigheid van een elektrisch dipoolmoment voor het neutron, terwijl het donkere foton lijkt op gewone fotonen die verantwoordelijk zijn voor elektromagnetisme, maar het is enorm en veel zwakker gekoppeld.

Vroeger, veel kosmologen die de dynamiek in het vroege universum onderzochten, stelden theorieën voor die zich concentreerden op axionen of donkere fotonen. Onderzoek naar de interacties tussen deze twee soorten deeltjes in het vroege heelal, anderzijds, is nog schaars.

Met dit in gedachten, onderzoekers van de University of Maryland en de Johns Hopkins University hebben onlangs een studie uitgevoerd om het samenspel tussen axionen en donkere fotonen in het vroege heelal te onderzoeken. hun papier, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , onderzoekt een reeks voorbeelden waarin een axion zich vermengt met een massief donker foton in een magnetisch achtergrondveld.

"Hoewel er een grote hoeveelheid literatuur is over de kosmologische evolutie van theorieën met slechts één van die twee deeltjes, we waren geïnteresseerd in het begrijpen hoe het samenspel van beide deeltjes in het vroege heelal tot nieuwe kenmerken kon leiden en vonden uiteindelijk zeer interessant gedrag in verband met hun vermenging, "Gustav Marques-Tavares, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "De nieuwe effecten die we waarnamen, verschilden drastisch van andere, meer algemeen beschouwde soorten vermenging."

Allereerst, Marques-Tavares en zijn collega's wilden een fysieke hypothese of intuïtie ontwikkelen. Om dit te doen, ze losten een vereenvoudigde versie op van specifieke vergelijkingen die doorgaans worden toegepast op complexe analytische problemen.

Toen ze eenmaal met een fysieke intuïtie kwamen, ze gebruikten twee wiskundige technieken die bekend staan ​​als WKB-benadering en adiabatische benadering om een ​​reeks mogelijke oplossingen te vinden voor het probleem waarop ze zich concentreerden. De onderzoekers vergeleken vervolgens de benaderde oplossingen die ze identificeerden met exacte numerieke oplossingen en ontdekten dat de twee redelijk goed overeenkwamen.

Algemeen, ze suggereren dat een enkele afgeleide vermenging tussen massieve bosonische velden substantiële veranderingen in de velddynamiek zou kunnen veroorzaken. Specifieker, het kan het begin van klassieke oscillaties vertragen, het verminderen en misschien zelfs elimineren van de wrijving als gevolg van de Hubble-expansie, dat is de snelheid waarmee het heelal uitdijt. De onderzoekers beschreven het door hen onderzochte fenomeen verder aan de hand van een aantal voorbeelden, die mogelijkheden benadrukten die voortkomen uit het samenspel tussen axionen en donkere fotonen.

"Op veel manieren, lichte scalaire en vectorvelden gedragen zich meer als klassieke velden dan kwantumdeeltjes in hun kosmologische evolutie, " zei Marques-Tavares. "We ontdekten dat onze methode de amplitude van het axion aanzienlijk verbetert in vergelijking met een theorie die de vermenging met een donker foton niet omvat. Omdat de energiedichtheid opgeslagen in het veld groeit met zijn amplitude, dit leidt tot een grotere uiteindelijke energiedichtheid voor het axion, waardoor het alle donkere materie in het universum kan verklaren."

Het recente werk van dit team van onderzoekers introduceert berekeningen die de effecten van enkelvoudige afgeleide vermenging tussen axionen en donkere fotonen benadrukken, in tegenstelling tot de meer typische massamenging of kinetische menging. De resultaten gepresenteerd door Marques-Tavares en zijn collega's wijzen ook op nieuwe richtingen voor toekomstig onderzoek gericht op een beter begrip van de effecten van enkelvoudige vermenging tussen deeltjes, vooral in het vroege heelal. In hun volgende studies, de onderzoekers zijn van plan donkere fotonen nader te bestuderen, omdat ze gemakkelijk te observeren zijn en dus populaire kandidaten voor donkere materie zijn geworden.

"Donkere fotonen zijn notoir lastig te produceren in het vroege heelal, en daarom, het is een uitdaging voor hen om alle donkere materie uit te leggen, Marques-Tavares zei. "Hetzelfde mechanisme waarmee we het aantal axionen kunnen vergroten, kan ook worden gebruikt om het aantal donkere fotonen te vergroten. waardoor ze een kandidaat voor donkere materie kunnen worden. We zijn van plan dit nieuwe mechanisme te onderzoeken dat we hebben voorgesteld voor toepassing op donkere fotonen."

© 2020 Wetenschap X Netwerk