Ultra-lyse partikler af mørkt materiale • Igor Ivanov • Populære videnskabsopgaver på "Elements" • Fysik

Ultralight Dark Matter Particles

Det er kendt fra astrofysiske observationer, at der i universet ikke blot er almindeligt materiale (atomer og andre partikler opdaget i laboratorieeksperimenter), men også såkaldt mørk materie. Derudover er der meget i universet: dets kumulative bidrag til universets masse er fem gange mere end det almindelige stof. Mørk materie giver kun sin indirekte tilstedeværelse gennem en tyngdekraft på stjerner og galakser, og af hvilke partikler det består af – er det stadig ikke klart. Kun en omtrentlig tæthedsfordeling af mørk materiel er kendt (i de galaktiske kvarterer i solsystemet er det ρDM = 7·10-22 kg / m3) og typisk partikelhastighed, vDM– ca. en tusindedel af lysets hastighed (ved høje hastigheder ville mørkt materiale ikke klynge omkring galakser, men ville ensartet fylde universet).

Mørk materie i universet fordeles ikke ensartet. Det viser sig, at det er muligt at udlede nogle begrænsninger på egenskaberne af mørke partikelpartikler. Billede fra www.cfa.harvard.edu

I mange eksperimenter udføres direkte søgninger af mørke stofpartikler (og vi foreslog endda problemet med følsomheden ved sådanne eksperimenter), men de giver stadig ikke noget svar på deres natur.I denne situation opfinder fysikere og studerer forskellige teoretiske modeller af mørke stofpartikler med meget forskellige masser. De er også meget tunge (utilgængelige til direkte eksperimentel opdagelse på collider) og "normal" (med en masse på protonens masse) og ultralette, meget lettere end ikke kun elektroner, men også neutrinoer (hvis masse er fraktioner af en elektronvolt). Derudover kan de i deres type være både bosoner og fermioner.

Det viser sig, at på trods af manglen på direkte eksperimentelle data kan nogle egenskaber af mørke stofpartikler udledes direkte fra astrofysiske observationer og ovenstående parametre.

opgave

Bevis detat ultralette partikler af mørkt materiale ikke kan være fermioner. Forudsat at disse er fermioner, finde omtrentlig grænse på deres masse nedenfor.


Tip 1

Problemet med ultralette fermioner er, at universet er stramt for for mange af dem.


Tip 2

Fermioner adskiller sig fra bosoner, idet de adlyder Pauli-udelukkelsesprincippet: to fermioner kan ikke være i samme kvantetilstand.For at tælle, hvor mange fermioner der passer ind i systemet (for eksempel i universet), skal du vide, hvor mange kvanteceller der er for fermioner.

En simpel måde at finde størrelsen på en enkelt celle på er at anvende kvælemekanikkens bølge-partikel dualitet: en partikel med momentum p svarer til en rejsebølge med en bølgelængde λ = h/phvor h – Planck er konstant. Denne bølgelængde definerer den omtrentlige størrelse af en enkelt kvantecelle.


beslutning

For den mørke materie partikelmasse m størrelsen af ​​en kvantecelle er ca. λ = h/mvDM, hvilket betyder, at koncentrationen af ​​sådanne celler er n0 = 1/λ3 = (mvDM/h)3. Samtidig er koncentrationen af ​​mørke stofpartikler af en sådan masse lig med n = ρDM/m. Hvis alt mørkt materiale består af fermionpartikler af en sådan masse, så kommer vi fra Pauli-udelukkelsesprincippet n0 > nhvilket betyder

m > (h/vDM)3/4 ρDM1/4.

Ved at erstatte tallene får vi ca. 5 · 10-35 kg, hvilket er ca. 30 eV. Så hvis alle observerbare mørke stoffer består af fermioner af samme art, så deres masse skal overstige 30 eV.

Denne beregning betyder, at hverken neutrinerne selv eller nogen andre fermioner lettere kan bidrage til det observerbare mørke stof.


efterskrift

Den udførte analyse er baseret på antagelsen om, at alt mørkt stof består af partikler af samme art. Da vi ikke kender det mørke stofs natur, kan denne antagelse naturligvis også fjernes. Derefter vil der være mange lette fermion kandidatkandidater til mørke stofpartikler i universet, og hver af dem yder et meget lille bidrag til den samlede masse. Men et sådant billede for fysikere ser unaturligt ud, da det er uklart, hvor der i teorien vil være så mange slags partikler med mere eller mindre de samme egenskaber.

Det er interessant at diskutere, hvad der vil ske for ultralette bosonpartikler. For dem er der ikke længere en begrænsning i forbindelse med Pauli-princippet, da mange partikler kan placeres i en enkelt kvantecelle. Der er teoretiske modeller (for eksempel på basis af hypotetiske partikler af aksioner), hvor partiklernes masser er milliontedele af en elektronvolt. I dette tilfælde kan der i hver celle være et makroskopisk antal partikler op til kæmpe tal på ca. 1060. Mørket materiale vender så fra en simpel gas til et kvant Bose kondensat størrelsen af ​​en galakse, inden for hvilke stjerner, planeter flyver, og dig og jeg. For en diskussion af en sådan usædvanlig situation, se for eksempel i artiklen arXiv: 1012.1553.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: