Axioner och mörka fotoner är två av de mest lovande typerna av partiklar för att avslöja ny fysik. Det skalära axionsfältet förklarar frånvaron av ett elektriskt dipolmoment för neutronen, medan den mörka fotonen liknar vanliga fotoner som är ansvariga för elektromagnetism, men det är massivt och mycket svagare kopplat.

Förr, många kosmologer som undersöker dynamiken i det tidiga universum föreslog teorier som fokuserade antingen på axioner eller mörka fotoner. Forskning som undersöker interaktioner mellan dessa två typer av partiklar i det tidiga universum, å andra sidan, är fortfarande ont om.

Med detta i åtanke, forskare vid University of Maryland och Johns Hopkins University genomförde nyligen en studie som syftade till att undersöka samspelet mellan axioner och mörka fotoner i det tidiga universum. Deras papper, publiceras i Fysiska granskningsbrev , undersöker en serie exempel där en axion blandas med en massiv mörk foton inom ett bakgrundsmagnetfält.

"Medan det finns en stor mängd litteratur om den kosmologiska utvecklingen av teorier med bara en av dessa två partiklar, vi var intresserade av att förstå hur samspelet mellan båda dessa partiklar i det tidiga universum kan leda till nya funktioner och slutade med att hitta mycket intressant beteende i samband med deras blandning, "Gustavo Marques-Tavares, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "De nya effekterna vi observerade skilde sig drastiskt från andra mer allmänt övervägda typer av blandning."

För det första, Marques-Tavares och hans kollegor satte sig för att utveckla en fysisk hypotes eller intuition. Att göra detta, de löste en förenklad version av specifika ekvationer som vanligtvis tillämpas på komplexa analytiska problem.

När de väl kom på en fysisk intuition, de använde två matematiska tekniker som kallas WKB approximation och adiabatisk approximation för att uppnå en uppsättning möjliga lösningar på problemet de fokuserade på. Forskarna jämförde sedan de ungefärliga lösningarna de identifierade med exakta numeriska lösningar och fann att de två stämde ganska bra.

Övergripande, de föreslår att blandning av en enda derivata mellan massiva bosoniska fält kan leda till betydande förändringar i fältdynamiken. Mer specifikt, det kan fördröja uppkomsten av klassiska svängningar, minska och kanske till och med eliminera friktionen till följd av Hubble-expansionen, vilket är den hastighet med vilken universum expanderar. Forskarna beskrev vidare fenomenet de undersökte med hjälp av ett antal exempel, som lyfte fram möjligheter som uppstår från samspelet mellan axioner och mörka fotoner.

"På många sätt, ljusskalära fält och vektorfält beter sig mer som klassiska fält än kvantpartiklar i sin kosmologiska evolution, " Sa Marques-Tavares. "Vi fann att vår metod avsevärt förbättrar axionens amplitud jämfört med en teori som inte inkluderar blandning med en mörk foton. Eftersom energitätheten som lagras i fältet växer med dess amplitud, detta leder till en större slutlig energitäthet för axionen, låter den förklara all mörk materia i universum."

Det senaste arbetet av detta team av forskare introducerar beräkningar som belyser effekterna av enkelderivatblandning mellan axioner och mörka fotoner, i motsats till den mer typiska massblandningen eller kinetisk blandning. Resultaten som presenterats av Marques-Tavares och hans kollegor lyfter också fram nya riktningar för framtida forskning som syftar till att bättre förstå effekterna av enkelderivatblandning mellan partiklar, särskilt i det tidiga universum. I sina nästa studier, forskarna planerar att studera mörka fotoner närmare, eftersom de är lätta att observera och har därmed blivit populära kandidater för mörk materia.

"Mörka fotoner är notoriskt svåra att producera i det tidiga universum, och sålunda, det är utmanande för dem att förklara all mörk materia, "Sade Marques-Tavares." Samma mekanism som gör att vi kan öka antalet axioner kan också användas för att öka antalet mörka fotoner, tillåta dem att bli en kandidat för mörk materia. Vi planerar att utforska denna nya mekanism som vi föreslog tillämpad på mörka fotoner."

© 2020 Science X Network