Тёмный свет и тёмная материя: новые грани взаимодействия

Автор: Денис Аветисян

В статье исследуется возможность объяснения природы тёмной материи через взаимодействие с гипотетическими «тёмными фотонами», рассматривая ограничения на эту модель из космологии, астрофизики и экспериментов на Большом адронном коллайдере.

Наблюдения показывают, что параметры <span class="katex-eq" data-katex-display="false">M_{\chi_1} - \delta</span> коррелируют с <span class="katex-eq" data-katex-display="false">M_{A'}</span>, при этом точки, окрашенные в циан, исключаются ограничениями, полученными из анализа первичного нуклеосинтеза, в то время как области, выделенные цветами фуксии и зелёного, могут быть исследованы посредством поиска долгоживущих частиц на установках FASER и FASER 2. — Наблюдения показывают, что параметры $M_{\chi_1} - \delta$ коррелируют с $M_{A'}$ , при этом точки, окрашенные в циан, исключаются ограничениями, полученными из анализа первичного нуклеосинтеза, в то время как области, выделенные цветами фуксии и зелёного, могут быть исследованы посредством поиска долгоживущих частиц на установках FASER и FASER 2.

Систематическое исследование феноменологии модели неэластичной тёмной материи, опосредованной тёмным фотоном, с учётом данных о реликтовом излучении, поисков на коллайдерах FASER/FASER2 и наблюдениях нейтронных звёзд.

Несмотря на успехи в поиске темной материи, природа этой субстанции остается одной из главных загадок современной физики. В работе, озаглавленной ‘Dark Photon mediated Inelastic Dark Matter in Cosmology, Astrophysics and Colliders’, представлен систематический анализ феноменологии модели нерелятивистской темной материи, взаимодействующей через темный фотон. Показано, что при определенных параметрах, данная модель совместима с наблюдаемой плотностью темной материи и не противоречит существующим ограничениям, полученным из космологических наблюдений, астрофизики и экспериментов на коллайдерах, включая LHC и детектор FASER. Какие новые возможности для поиска и изучения темной материи откроются с запуском FASER 2 и дальнейшим развитием астрофизических наблюдений?

Тёмная материя: Новая парадигма

На протяжении десятилетий природа темной материи остается одной из самых больших загадок современной физики. Несмотря на многочисленные эксперименты, направленные на обнаружение слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP) — долгое время считавшихся главными кандидатами — результаты оказались неубедительными. Отсутствие явных сигналов заставило ученых обратиться к альтернативным моделям, выходящим за рамки стандартного подхода. Это привело к активному исследованию различных гипотез, включая модели, предполагающие более слабые или нетипичные взаимодействия темной материи с обычным веществом, а также поиск частиц с другими характеристиками массы и спина. В связи с этим, разработка и проверка новых теоретических моделей, способных объяснить природу темной материи, представляется критически важной задачей для современной науки.

Неупругая темная материя (InelasticDM) представляет собой альтернативный подход к пониманию этой загадочной субстанции, в отличие от традиционных моделей, предполагающих частые взаимодействия. Согласно этой концепции, взаимодействие частиц темной материи с обычным веществом подавлено, если недостаточно энергии для осуществления этого процесса. Иными словами, для обнаружения признаков темной материи требуется, чтобы частицы обменивались значительным количеством энергии, что объясняет отсутствие сигналов в существующих экспериментах, настроенных на поиск более слабых взаимодействий. Эта особенность делает неупругую темную материю интересным кандидатом, поскольку она предлагает объяснение наблюдаемой невидимости темной материи, одновременно открывая новые возможности для ее обнаружения в будущих исследованиях, ориентированных на высокоэнергетические столкновения.

Предлагаемая модель неэластичной темной материи предполагает существование расщепления масс между частицами темной материи, обозначенными как $χ_1$ и $χ_2$ . Это расщепление играет ключевую роль в механизме взаимодействия, поскольку столкновения между частицами темной материи и обычным веществом становятся возможными только при достаточно высокой энергии, необходимой для преодоления разницы в массах. Уникальность данной концепции заключается в том, что она предсказывает особый спектр энергии рассеяния, отличающийся от традиционных моделей темной материи, что делает возможным экспериментальное подтверждение или опровержение этой гипотезы с использованием современных детекторов.

Посредник взаимодействия: Тёмный фотон

Для обеспечения взаимодействия между темной материей и частицами Стандартной модели предлагается гипотетическая частица-посредник — темный фотон (A′). Данная частица является векторным бозоном, не входящим в состав Стандартной модели, и предположительно взаимодействует с ней посредством кинетического смешивания. Темный фотон выступает в роли моста, позволяя темной материи обмениваться энергией и импульсом с обычным веществом, что делает возможным её косвенное обнаружение посредством экспериментов, направленных на поиск продуктов распада или взаимодействия этой частицы. Масса темного фотона является важным параметром, определяющим характер и интенсивность его взаимодействия с частицами Стандартной модели.

Тёмный фотон взаимодействует с частицами Стандартной модели посредством кинетического смешивания, представляя собой механизм, при котором тёмный фотон $A'$ осциллирует в обычный фотон γ. Этот процесс возникает из-за недиагонального члена в матрице смешивания, позволяющего тёмному фотону эффективно участвовать в электромагнитных взаимодействиях. В результате, тёмные фотоны могут распадаться на пары Стандартной модели, такие как $e^+e^-$ или $\mu^+\mu^-$ , что обеспечивает возможность их обнаружения в экспериментах, использующих высокоэнергетические пучки или детекторы, чувствительные к продуктам распада. Интенсивность этих сигналов зависит от константы кинетического смешивания и массы тёмного фотона.

Разность масс Δ между частицами $χ₁$ и $χ₂$ является критическим параметром, определяющим скорости их распада и, следовательно, возможности детектирования. В зависимости от конкретных выбранных параметров (benchmark points), сечения рождения (production cross sections) этих частиц варьируются в диапазоне от 75 до 1332 пикобарн (pb). Более высокое значение Δ обычно приводит к более быстрым скоростям распада и, как следствие, к специфическим сигналам, которые могут быть идентифицированы в экспериментах. Соответствующее изменение сечений рождения оказывает существенное влияние на ожидаемую частоту событий и, следовательно, на чувствительность экспериментов по поиску темной материи.

Эксперименты FASER и FASER 2 позволили исследовать распад частиц в различных диапазонах времени жизни <span class="katex-eq" data-katex-display="false">c au</span> и расстояний от точки взаимодействия ATLAS, демонстрируя возможность изучения процессов за пределами стандартной модели. — Эксперименты FASER и FASER 2 позволили исследовать распад частиц в различных диапазонах времени жизни $c au$ и расстояний от точки взаимодействия ATLAS, демонстрируя возможность изучения процессов за пределами стандартной модели.

Расчёт обилия и установление ограничений

Расчеты реликтовой плотности позволяют определить ожидаемое количество темной материи в ранней Вселенной, учитывая расщепление масс $\Delta m$ между частицами $\chi_1$ и $\chi_2$ , а также взаимодействия с темным фотоном. Данные расчеты основываются на скорости аннигиляции частиц в ранней Вселенной, которая зависит от их массы и константы взаимодействия. Уменьшение скорости аннигиляции приводит к большему остаточному количеству частиц, определяющему современную реликтовую плотность. Сравнение полученной теоретической плотности с наблюдаемой плотностью темной материи позволяет проверить жизнеспособность модели и ограничить параметры, такие как массы частиц и константы взаимодействия.

Расчет плотности реликтового остатка, учитывающий разницу в массах и взаимодействия темных фотонов, позволяет определить ожидаемое количество темной материи в ранней Вселенной. Сопоставление теоретических предсказаний с наблюдаемой плотностью темной материи является ключевым тестом для проверки состоятельности модели. Отклонения между расчетными значениями и наблюдаемыми данными указывают на необходимость корректировки параметров модели или рассмотрения альтернативных гипотез. Подтверждение соответствия между теорией и экспериментом усиливает доверие к предложенной модели темной материи и ее способности объяснить наблюдаемые астрофизические явления.

Косвенные эксперименты по поиску темной материи накладывают ограничения на силу взаимодействия частицы $χ_1$ . Кроме того, теоретические расчеты предсказывают, что захват WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) нейтронными звездами приведет к увеличению их температуры примерно на 2000 K. Ограничения на время жизни частицы $χ_2$ получены на основе анализа процессов, происходивших во время первичного нуклеосинтеза (Big Bang Nucleosynthesis), что позволяет сузить область допустимых параметров модели.

На графике, отображающем зависимость между <span class="katex-eq" data-katex-display="false">M_{\\chi_{1}}</span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\sigma_{\\text{inel}}</span>, показаны точки, соответствующие реликтовой плотности и экспериментальным ограничениям, демонстрирующие, что геометрический предел <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\sigma_{\\text{geom}}</span> при <span class="katex-eq" data-katex-display="false">M=M_{<i>}</span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">R=R_{</i>}</span> соблюдается, что указывает на насыщение геометрического захвата. — На графике, отображающем зависимость между $M_{\\chi_{1}}$ и $\sigma_{\\text{inel}}$ , показаны точки, соответствующие реликтовой плотности и экспериментальным ограничениям, демонстрирующие, что геометрический предел $\sigma_{\\text{geom}}$ при $M=M_{<i>}$ и $R=R_{</i>}$ соблюдается, что указывает на насыщение геометрического захвата.

Экспериментальные зонды и будущие направления

Эксперименты, подобные FASER на Большом адронном коллайдере, обладают уникальными возможностями для поиска долгоживущих частиц, таких как χ2. Использование геометрии, ориентированной на передний угол распада, позволяет значительно увеличить чувствительность к этим частицам, благодаря эффекту релятивистского усиления сигнала. Прогнозируемое количество событий, указывающих на присутствие χ2, варьируется от нуля до 138474, что делает FASER исключительно перспективным инструментом для исследования этой области физики за пределами Стандартной модели. Данный подход позволяет исследовать широкий диапазон параметров частиц, недоступный для других экспериментов, и потенциально обнаружить новые физические явления, связанные с тёмной материей или другими неизвестными взаимодействиями.

Нейтронные звезды представляют собой уникальные астрофизические объекты, способные служить своеобразными ловушками для частиц тёмной материи. Вследствие своей огромной гравитации, они эффективно захватывают частицы, взаимодействующие с обычной материей, в том числе и гипотетические частицы тёмной материи. Анализ процессов аннигиляции или распада этих захваченных частиц внутри нейтронной звезды может привести к детектированию специфических сигналов, таких как гамма-излучение или нейтрино, что позволит косвенно подтвердить существование и свойства частиц тёмной материи. Этот подход является дополнительным к наземным экспериментам и позволяет исследовать параметры взаимодействия тёмной материи с обычной материей в условиях, недостижимых на Земле, открывая новые перспективы в изучении этой загадочной субстанции.

Продолжающиеся эксперименты по прямому детектированию частиц неуклонно уточняют ограничения на силу взаимодействия частицы $\chi_1$ , что позволяет постепенно сужать область возможных параметров. Эти исследования, используя всё более чувствительное оборудование и передовые методы анализа данных, позволяют исключать всё больше и больше теоретических моделей, предсказывающих существование слабо взаимодействующих частиц. В частности, установлено, что характерная длина затухания частицы $\chi_2$ находится в диапазоне от 0.57 до 11.32 метров, что предоставляет важные ориентиры для будущих поисков и позволяет более точно моделировать процессы, связанные с распадами этих гипотетических частиц. Уточнение этих параметров критически важно для понимания природы тёмной материи и расширения Стандартной модели физики элементарных частиц.

Исследование, представленное в данной работе, демонстрирует, как построение модели, подобной микроскопу, позволяет рассмотреть темную материю через призму взаимодействия с темным фотоном. Анализ реликтовой плотности, поиски в коллайдерах и астрофизические наблюдения нейтронных звезд — все это инструменты, позволяющие выявить закономерности в кажущемся хаосе. Юрген Хабермас однажды заметил: «Коммуникативное действие направлено на достижение взаимопонимания». В данном случае, коммуникация происходит между теорией и экспериментом, а взаимопонимание проявляется в проверке предсказаний модели данными наблюдений, раскрывая скрытые связи и углубляя наше понимание фундаментальных законов Вселенной.

Куда двигаться дальше?

Представленное исследование, анализируя феноменологию модели тёмного фотона и неэластичных частиц тёмной материи, неизбежно сталкивается с границами существующего инструментария. Выбросы в расчетах реликтовой плотности, кажущиеся аномалиями, на самом деле могут являться ключом к пониманию более сложных взаимодействий в ранней Вселенной. Игнорировать отклонения — значит упустить потенциальные закономерности, а каждая ошибка — это возможность уточнить модель.

Особое внимание следует уделить поиску долгоживущих частиц на коллайдерах, таких как FASER/FASER2. Необходимо разработать более чувствительные методы анализа данных, способные выявить слабые сигналы, которые могут указывать на взаимодействие тёмной материи с обычной. Ограничения, полученные из астрофизических наблюдений нейтронных звезд, требуют дальнейшей верификации, учитывая неопределенности в моделях звездной эволюции и физике плотной материи.

В конечном счете, истинный прогресс заключается не в подтверждении существующих теорий, а в готовности пересматривать фундаментальные предположения. Поиск тёмной материи — это не просто решение конкретной научной задачи, а исследование границ нашего понимания реальности. И, возможно, самые интересные открытия ждут нас там, где мы перестанем искать то, что ожидаем, и начнем принимать неожиданное.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.18051.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-02-23 17:51