En konstnärs återgivning av big bang-nukleosyntes, den tidiga universumperioden där protonerna "p" och neutronerna "n" kombineras för att bilda lätta element. Närvaron av mörk materia "χ" ändrar hur mycket av varje element som kommer att bildas. Kredit:Cara Giovanetti/New York University
En ny analys av ett team av fysiker erbjuder ett innovativt sätt att förutsäga "kosmologiska signaturer" för modeller av mörk materia.
Ett team av fysiker har utvecklat en metod för att förutsäga sammansättningen av mörk materia – osynlig materia som bara upptäcks av dess gravitationskraft på vanlig materia och vars upptäckt länge har sökts av forskare.
Dess arbete, som visas i tidskriften Physical Review Letters , fokuserar på att förutsäga "kosmologiska signaturer" för modeller av mörk materia med en massa mellan elektronens och protonens massa. Tidigare metoder hade förutspått liknande signaturer för enklare modeller av mörk materia. Denna forskning etablerar nya sätt att hitta dessa signaturer i mer komplexa modeller, som experiment fortsätter att söka efter, noterar tidningens författare.
"Experiment som söker efter mörk materia är inte det enda sättet att lära sig mer om denna mystiska typ av materia", säger Cara Giovanetti, en Ph.D. student vid New York Universitys institution för fysik och uppsatsens huvudförfattare.
"Precisionsmätningar av olika parametrar i universum - till exempel mängden helium i universum eller temperaturerna hos olika partiklar i det tidiga universum - kan också lära oss mycket om mörk materia", tillägger Giovanetti och beskriver den beskrivna metoden. i Physical Review Letters papper.
I forskningen, utförd med Hongwan Liu, en postdoktor vid NYU, Joshua Ruderman, en docent vid NYU:s fysikavdelning, och Princeton-fysikern Mariangela Lisanti, fokuserade Giovanetti och hennes medförfattare på nukleosyntesen av big bang (BBN) – en process av vilka lätta former av materia, såsom helium, väte och litium, skapas. Närvaron av osynlig mörk materia påverkar hur vart och ett av dessa element kommer att bildas. Också avgörande för dessa fenomen är den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) – elektromagnetisk strålning, genererad genom att kombinera elektroner och protoner, som finns kvar efter universums bildande.
Teamet sökte ett sätt att upptäcka närvaron av en specifik kategori av mörk materia – den med en massa mellan elektronens och protonens massa – genom att skapa modeller som tog hänsyn till både BBN och CMB.
"Sådan mörk materia kan modifiera mängden av vissa element som produceras i det tidiga universum och lämna ett avtryck i den kosmiska mikrovågsbakgrunden genom att modifiera hur snabbt universum expanderar," förklarar Giovanetti.
I sin forskning gjorde teamet förutsägelser om kosmologiska signaturer kopplade till förekomsten av vissa former av mörk materia. Dessa signaturer är resultatet av att mörk materia ändrar temperaturen på olika partiklar eller ändrar hur snabbt universum expanderar.
Deras resultat visade att mörk materia som är för ljus kommer att leda till andra mängder ljusa element än vad astrofysiska observationer ser.
"Lättare former av mörk materia kan få universum att expandera så snabbt att dessa element inte har en chans att bildas", säger Giovanetti och beskriver ett scenario.
"Vi lär oss av vår analys att vissa modeller av mörk materia inte kan ha en massa som är för liten, annars skulle universum se annorlunda ut än det vi observerar", tillägger hon. + Utforska vidare
