Astrofysiker har sökt efter mörk materia i flera decennier, men dessa sökningar har hittills gett nedslående resultat. I en nyligen genomförd studie, två forskare vid Weizmann Institute of Science och hebreiska universitetet i Jerusalem i Israel har introducerat en ny teoretisk ram som beskriver en mekanism för elementär termisk mörk materia med en massa upp till 10 ¹⁴ GeV.

Den mörka materia som betraktas i deras arbete består av flera nästan degenererade partiklar som sprids i den närmaste grannkedjan på ett sätt som är i linje med standardmodellen som används i mörk materiastudier. Det nya ramverket som presenteras av dessa forskare, beskrivs i ett papper publicerat i Fysiska granskningsbrev , kan i slutändan informera framtida sökningar efter tung mörk materia.

"Mörk materias natur är ett långvarigt problem i dagens fysik, "Hyungjin Kim, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "En partikel som är lika tung som Higgs boson, och är involverad i interaktioner vars styrka är elektrosvag interaktion, anses vara en särskilt välmotiverad kandidat för mörk materia, som det ofta uppstår naturligt när man tar upp ett annat nyckelproblem:hierarkin mellan den elektrosvaga skalan och Planckskalan."

Partikeln som anses vara en bra kandidat för mörk materia, känd som en svagt interagerande massiv partikel (WIMP), kan produceras naturligt från interaktioner mellan standardmodellpartiklar i det tidiga universum medan de är i termisk jämvikt. Denna speciella process går under namnet "den termiska frysningsmekanismen."

Baserat på nuvarande astrofysikteori, det slutliga överflödet av WIMPs i vårt universum idag skulle alltså vara okänsligt för detaljer om initiala förhållanden eller modellparametrar. Dock, en vanlig kunskap som härrör från ett papper från 1990 av Kim Griest och Marc Kamionkowski antyder att denna termiska utfrysningsmekanism inte fungerar när mörk materia är tyngre än 100 TeV (dvs. tusen gånger tyngre än Higgs boson).

"I vår senaste tidning, vi bevisar att denna vanliga kunskap är felaktig och visar att termisk utfrysning är möjlig även när mörk materia är flera storleksordningar tyngre än Higgsmassan, om det finns en uppsättning mörka partiklar som sprider bort standardmodellpartiklarna med närmaste granne-interaktioner, "Erik Kuflik, den andra forskaren bakom studien, sa. "Relikernas överflöd av mörk materia bestäms sedan av stokastiska interaktioner mellan de mörka partiklarna och standardmodellpartiklarna."

Mekanismen som föreslagits av Kim och Kuflik beskriver en uppsättning mörk materiepartiklar som sprids med vanlig materia genom interaktioner med närmaste granne, som växlar mellan arter. Med andra ord, det antyder att den mörka materien tar en "slumpmässig promenad" bland mörk materia-arter, ständigt ändra sin identitet. Baserat på det ramverk som introducerats av forskarna, därför, överflödet av mörk materia bestäms termiskt i det tidiga universum, möjliggör extremt tunga massor av mörk materia.

"Vi har visat att mörk materia kan produceras från det tidiga universums termalbad samtidigt som det är i termisk jämvikt, även för massor av mörk materia som är betydligt tyngre än vad konventionell visdom skulle tillåta, " förklarade Kim. "Intressant nog, överflödet av mörk materia partiklar i vårt scenario beror bara på interaktionsstyrkan hos de mörka partiklarna med standardmodellpartiklarna."

Det nya ramverket som utvecklats av Kim och Kuflik kan få viktiga konsekvenser för studier som undersöker den kosmiska mikrovågsbakgrunden, strukturbildning och kosmiska strålar. Dessutom, det skulle kunna fungera som ett riktmärke för experimentella sökningar av tung mörk materia, eftersom det antyder att sönderfall till vanliga materiepartiklar i det sena universum kan lämna intressanta astrofysiska och kosmologiska signaturer, som forskare kan leta efter när de letar efter mörk materia.

"Det finns två lovande riktningar vi hoppas kunna följa i vårt framtida arbete, "Sa Kim." Först, vår mekanism förutsäger oundvikligen partiklar av mörk materia som sönderfaller till standardmodellpartiklar genom universums historia. Detta kan lämna intressanta astrofysiska signaturer, som kosmiska strålar med ultrahög energi och så vidare. Implikationerna för kosmologi är också intressanta."

Än så länge, Kim och Kuflik har beskrivit grundidén med supertung mörk materia och tillhandahållit en "enkel leksaksmodell" av den genom att parametrisera interaktionsstyrkan mellan mörka partiklar och standardmodellpartiklar. I sina nästa studier, dock, Kim och Kuflik planerar att genomföra en detaljerad studie av partikelfysikteorier som kan förverkliga deras mekanism av supertung termisk mörk materia.

"Explicita insikter inom partikelfysik kommer att hjälpa till att identifiera hela uppsättningen av experimentella signaler som förutsägs av mekanismen, som kommer att lära oss det bästa sättet att antingen utesluta eller upptäcka sådan mörk materia, "Tillade Kuflik.

© 2019 Science X Network