Physiker beschränken dunkle Materie

Forscher aus Russland, Finnland und den USA haben das theoretische Modell der Teilchen der dunklen Materie eingeschränkt, indem sie Daten aus astronomischen Beobachtungen aktiver galaktischer Kerne analysierten. Die neuen Erkenntnisse bieten Forschergruppen auf der ganzen Welt einen zusätzlichen Anreiz, das Geheimnis der Dunklen Materie zu lüften: Niemand weiß genau, woraus sie besteht. Der Artikel wurde im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics veröffentlicht.

Dieses Bild von Centaurus A, einer der erdnächsten aktiven Galaxien, kombiniert die Daten von Beobachtungen in mehreren Frequenzbereichen. Kredit: ESO / WFI (optisch), MPIfR / ESO / APEX / A. Weiss et al. (Submillimeter), NASA / CXC / CfA / R. Kraft et al. (Röntgen)

Die Frage, aus welchen Teilchen die Dunkle Materie besteht, ist für die moderne Teilchenphysik von entscheidender Bedeutung. Trotz der Erwartung, dass Teilchen der dunklen Materie beim Large Hadron Collider entdeckt würden, geschah dies nicht. Eine Reihe von damals gängigen Hypothesen über die Natur der Dunklen Materie musste zurückgewiesen werden. Verschiedene Beobachtungen deuten darauf hin, dass dunkle Materie existiert, aber anscheinend etwas anderes als die Partikel im Standardmodell. Physiker müssen daher weitere Optionen in Betracht ziehen, die komplexer sind. Das Standardmodell muss erweitert werden. Unter den Kandidaten für den Einschluss befinden sich hypothetische Teilchen, die Massen im Bereich des 10 & supmin; ² & sup5; bis 10 & supmin; ¹ & sup5; -fachen der Masse des Elektrons aufweisen können. Das heißt, das schwerste spekulierte Teilchen hat eine um 40 Größenordnungen größere Masse als das leichteste.

Ein theoretisches Modell behandelt dunkle Materie als aus ultraleichten Partikeln zusammengesetzt. Dies bietet eine Erklärung für zahlreiche astronomische Beobachtungen. Solche Teilchen wären jedoch so leicht, dass sie sehr schwach mit anderer Materie und Licht wechselwirken würden, was es äußerst schwierig macht, sie zu untersuchen. Es ist fast unmöglich, ein Teilchen dieser Art in einem Labor zu entdecken, daher wenden sich die Forscher astronomischen Beobachtungen zu.

„Wir sprechen von Partikeln der dunklen Materie, die 28 Größenordnungen leichter sind als das Elektron. Diese Vorstellung ist für das Modell, das wir testen wollten, von entscheidender Bedeutung. Die Wechselwirkung mit der Gravitation verrät die Anwesenheit dunkler Materie. Wenn wir die gesamte beobachtete Masse der Dunklen Materie mit ultraleichten Partikeln erklären, würde dies bedeuten, dass es eine enorme Anzahl von ihnen gibt. Aber bei so leichten Teilchen stellt sich die Frage: Wie schützen wir sie vor dem Erwerb effektiver Masse durch Quantenkorrekturen? Berechnungen zeigen, dass eine mögliche Antwort darin besteht, dass diese Partikel schwach mit Photonen, dh mit elektromagnetischer Strahlung, interagieren. Dies bietet eine viel einfachere Möglichkeit, sie zu untersuchen: durch Beobachtung der elektromagnetischen Strahlung im Weltraum “, sagte Sergey Troitsky, Mitautor der Arbeit und leitender Forscher am Institut für Kernforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften.

Wenn die Anzahl der Partikel sehr hoch ist, können Sie sie anstelle einzelner Partikel als ein Feld mit einer bestimmten Dichte behandeln, das das Universum durchdringt. Dieses Feld oszilliert kohärent über Domänen, die in der Größenordnung von 100 Parsec oder etwa 325 Lichtjahren liegen. Was die Schwingungsdauer bestimmt, ist die Masse der Partikel. Wenn das von den Autoren berücksichtigte Modell korrekt ist, sollte dieser Zeitraum etwa ein Jahr betragen. Wenn polarisierte Strahlung ein solches Feld durchläuft, schwingt die Ebene der Strahlungspolarisation mit derselben Periode. Wenn solche periodischen Veränderungen tatsächlich eintreten, können sie durch astronomische Beobachtungen aufgedeckt werden. Und die Länge der Periode - ein Erdjahr - ist sehr günstig, da viele astronomische Objekte über mehrere Jahre beobachtet werden, was ausreicht, um die Polarisationsänderungen zu manifestieren.

Die Autoren der Arbeit beschlossen, die Daten von erdgestützten Radioteleskopen zu verwenden, da sie während eines Beobachtungszyklus mehrmals zu denselben astronomischen Objekten zurückkehren. Solche Teleskope können entfernte aktive galaktische Kerne beobachten - Regionen von überhitztem Plasma nahe den Zentren von Galaxien. Diese Regionen emittieren stark polarisierte Strahlung. Indem man sie beobachtet, kann man die Änderung des Polarisationswinkels über mehrere Jahre verfolgen.

„Anfangs schienen die Signale einzelner astronomischer Objekte sinusförmige Schwingungen aufzuweisen. Das Problem war jedoch, dass die Sinusperiode durch die Partikelmasse der dunklen Materie bestimmt werden muss, was bedeutet, dass sie für jedes Objekt gleich sein muss. In unserer Stichprobe befanden sich 30 Objekte. Und es mag sein, dass einige von ihnen aufgrund ihrer eigenen inneren Physik oszillierten, aber trotzdem waren die Perioden nie dieselben “, fährt Troitsky fort. „Dies bedeutet, dass die Wechselwirkung unserer ultraleichten Partikel mit Strahlung möglicherweise eingeschränkt ist. Wir sagen nicht, dass solche Teilchen nicht existieren, aber wir haben gezeigt, dass sie nicht mit Photonen interagieren, was die verfügbaren Modelle, die die Zusammensetzung der dunklen Materie beschreiben, einschränkt. "

„Stell dir vor, wie aufregend das war! Sie verbringen Jahre damit, Quasare zu studieren, wenn eines Tages theoretische Physiker auftauchen und die Ergebnisse unserer hochpräzisen Polarisationsmessungen mit hoher Winkelauflösung plötzlich nützlich sind, um die Natur der dunklen Materie zu verstehen “, fügt Yuri Kovalev, Mitautor von, begeistert hinzu der Studien- und Laborleiter am Moskauer Institut für Physik und Technologie und am Lebedev Physical Institute der Russischen Akademie der Wissenschaften.

In der Zukunft plant das Team, nach Erscheinungsformen hypothetischer schwerer Teilchen der dunklen Materie zu suchen, die von anderen theoretischen Modellen vorgeschlagen werden. Dies erfordert das Arbeiten in verschiedenen Spektralbereichen und die Verwendung anderer Beobachtungstechniken. Troitsky zufolge sind die Einschränkungen für alternative Modelle strenger.

„Im Moment ist die ganze Welt auf der Suche nach Partikeln der dunklen Materie. Dies ist eines der großen Geheimnisse der Teilchenphysik. Bis heute wird kein Modell hinsichtlich der verfügbaren experimentellen Daten als favorisiert, besser entwickelt oder plausibler akzeptiert. Wir müssen sie alle testen. Unbequemerweise ist dunkle Materie „dunkel“ in dem Sinne, dass sie kaum mit irgendetwas interagiert, insbesondere nicht mit Licht. Anscheinend könnte es in einigen Szenarien einen geringen Einfluss auf die durchlaufenden Lichtwellen haben. Andere Szenarien sagen jedoch überhaupt keine Wechselwirkungen zwischen unserer Welt und der Dunklen Materie voraus, außer denen, die durch die Schwerkraft vermittelt werden. Dies würde es sehr schwer machen, seine Partikel zu finden “, schließt Troitsky. ___

Die Studie, über die in dieser Geschichte berichtet wurde, wurde von der Russian Science Foundation unterstützt.

Das Forschungsteam, das das Papier mitverfasst, besteht aus Wissenschaftlern des Instituts für Kernforschung und des Lebedev Physical Institute der Russischen Akademie der Wissenschaften, des Moskauer Instituts für Physik und Technologie, des Crimean Astrophysical Observatory, der Purdue University (USA) und der Aalto University (USA). Finnland).

Forschungsbericht: "Einschränkung der Photonenkopplung von axionsartigen Partikeln aus ultraleichten Dunkler Materie durch Polarisationsänderungen von Jets im Parsec-Maßstab in aktiven Galaxien" von M.M. Ivanov, Y.Y. Kovalev, M.L. Lister, A.G. Panin, A.B. Pushkarev, T. Savolainen und S.V. Troitsky, veröffentlicht am 28. Februar 2019 im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

MIPT Pressestelle

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