Fysiker har föreslagit en teori om ursprunget av mörk materia från Fermi -bollar

Fysiker har föreslagit en teori om ursprunget av mörk materia från Fermi -bollar
Fysiker har föreslagit en teori om ursprunget av mörk materia från Fermi -bollar
Anonim

Enligt den nya teorin, som föreslogs av sydkoreanska teoretiska fysiker, föddes mörk materia från Fermi -bollar, kvant "påsar" med subatomära partiklar som packades i täta "fickor" under universums gryning. Denna teori påstår att förklara det faktum varför mörk materia började dominera i universum över vanlig, synlig materia.

Teoretiska fysiker vid Centrum för teoretisk fysik vid Seoul National University i Sydkorea har föreslagit att den mystiska och svårfångade mörka materien kan vara sammansatt av så kallade Fermi-bollar som är kvar från Big Bang. De publicerade sin artikel på webbplatsen arXiv.org elektronisk förtryck.

Fermibollar är hypotetiska kosmologiska föremål som kan dyka upp i förhållandena i det tidigaste universum på grund av spontan symmetribrytning och den efterföljande fasövergången. De ska inte förväxlas med Fermi-bubblor, gigantiska strukturer i Vintergatan uppkallad efter Fermi gammastrålteleskop och bildas av aktiviteten i det centrala supermassiva svarta hålet.

Mörk materia är en mystisk substans som endast interagerar med vanlig materia genom gravitationen och inte interagerar med ljus. En gång har hypoteser framförts enligt vilka mörk materia kan bestå av små svarta hål som genomsyrar universum, men numeriska uppskattningar utesluter en sådan möjlighet: antalet sådana svarta hål, liksom svarta hål med stjärnmassa, är för liten för att konvergera "Universums budget", känd från olika experimentella data (från Plancks rymdobservatorium, från observationer av supernovor, etc.): det borde bara finnas 5% av vanlig (baryonisk) materia, 27% av mörkt materia och 68% av mörk energi. I hela universums historia har inte så många stjärnor bildats att de efter deras död gav upphov till ett tillräckligt antal svarta hål, vars massa skulle förklara hela mängden tillgänglig mörk materia. För närvarande anses teorin om kall mörk materia vara standard, och de mest troliga kandidaterna för rollen för dess ingående partiklar är de ännu oupptäckta WIMP - svagt interagerande massiva partiklar.

Enligt den nya teorin kan de eftertraktade svarta hålen en gång ha uppstått från Fermi -bollar eller kvant "påsar" med subatomära partiklar - fermioner - som blandades i täta "fickor" under universums ursprung. Denna teori påstår att förklara det faktum varför mörk materia började dominera i universum över vanlig, synlig materia.

"Vi fann att i vissa fall kunde Fermi -bollarna vara så tätt packade att fermionerna i dem var för nära varandra, detta fick Fermi -bollen att kollapsa och förvandla den till ett svart hål", sa en forskare vid Center for Teoretisk fysik vid Seoul National Ke-Pan Se University i en intervju med WordsSideKick.com.

Xie och hans kollega Kiyoharu Kavanagh från samma Center for Theoretical Physics utvecklade ett scenario som förklarar hur mörk materia började dominera rymden. Vid en tid då universum var mindre än en sekund ägde otroliga förändringar av fysiska lagar rum i det. Partiklarna föll i fällor och gick samman i strukturer så kompakta att de bara kunde kollapsa och förvandlas till svarta hål. Sedan fyllde dessa svarta hål hela universum och gav samma "budget" som fastställdes med experimentella metoder - den tydliga dominansen av två andra ännu ej detekterbara komponenter över vanlig, baryonisk materia.

Svarta hål, som mörk materia, avger inte ljus, så de kan i princip bli en källa till dold massa. "Eftersom svarta hål är icke-lysande och kompakta föremål, bör deras kandidater för mörk materia beaktas på det mest naturliga sättet", säger Xie.

De extrema förhållanden som fanns i det tidigaste universum tillåter förändringar i fysiska processer som redan är omöjliga under de normala förhållandena i det moderna rummet. Den första ingrediensen i den nya teorin är ett skalärfält, liksom Higgs -fältet, som genomsyrar allt utrymme och ger partiklar sin massa. När universum expanderade och svalnade, genomgick detta skalärfält en fasövergång och övergick till ett annat kvantmekaniskt tillstånd. Denna fasövergång påverkade inte hela universum samtidigt. Inledningsvis dök det bara upp separata områden där övergången redan hade börjat, och sedan spred sig allt vidare, i likhet med hur vatten kokar i en kastrull och bildar större och större bubblor. "Denna process kallas en första ordnings fasövergång: vatten passerar från en vätskefas till ett gasformigt tillstånd, men till en början visas gasen endast i form av växande bubblor", förklarade Ce.

Det nya tillståndet i skalarfältet, som nu blir grundtillstånd, sprider sig från dessa punkter i likhet med en ström av kokande bubblor. Så småningom smälter bubblorna helt ihop med varandra och skalarfältet slutför sin fasövergång.

För att skapa ursprungliga svarta hål, som är mörk materia, behövde Xie och Kavanagh en annan ingrediens. De lade till en ny typ av fermion till sin modell. Fermioner är partiklar med halvtaligt snurr, som inkluderar elektroner, protoner och neutroner som utgör alla vanliga atomer.

I det mycket tidiga universum rörde sig dessa fermioner fritt i ett skalärfält, men de kunde inte tränga in i de små skummande "bubblorna" i kosmos nya grundtillstånd under fasövergången som beskrivits ovan. När bubblorna växte ackumulerades fermionerna i de återstående fickorna och blev till Fermi -bollar. Det fanns emellertid en ytterligare kraft som verkade mellan dessa fermioner, kända som Yukawa -interaktionen, orsakad av samma skalarfält som föreslogs av sydkoreanska teoretiker i deras uppsats. Fermioner undviker vanligtvis att hamna i samma kvanttillstånd och i små volymer, men skalarfältet tillförde dem interaktionskraften som undertryckte denna naturliga avstötning. Låt oss säga att protoner och neutroner är gjorda av ännu mindre partiklar som kallas kvarker. Kvarker är också fermioner och undviker att hamna i samma tillstånd, men den extra kärnkraften (stark interaktion) håller ihop dem. En analog av en sådan kraft är Yukawa -interaktionen som verkar i Se och Kavanagh -modellen.

Enligt den sydkoreanska teorin förseglades Fermibollarnas öde när fasövergången var klar. Klämda i små "fickor" i det snabbt föränderliga universum, kollapsade fermionernas buntar katastrofalt och bildade ett stort antal små svarta hål. Dessa svarta hål överlevde slutet av fasövergången och fyllde universum i form av mörk materia.

Rekommenderad: