อนุภาคที่มีแสงเป็นพิเศษของสสารมืด• Igor Ivanov •งานวิทยาศาสตร์ยอดนิยมเรื่อง "Elements" •ฟิสิกส์

Ultralight Dark Matter อนุภาค

เป็นที่รู้จักจากการสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ว่าในจักรวาลมีไม่เพียงเรื่องธรรมดา (อะตอมและอนุภาคอื่น ๆ ที่ค้นพบในห้องปฏิบัติการทดลอง) แต่ยังเรียกว่าสสารมืด ยิ่งไปกว่านั้นมีอยู่เป็นจำนวนมากในจักรวาล: ผลงานสะสมของมวลของจักรวาลมากกว่าห้าเท่าของเรื่องธรรมดา เรื่องของสสารมืดทำให้เกิดการปรากฏตัวของมันโดยอ้อมผ่านผลที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงบนดาวฤกษ์และกาแลคซีและสิ่งที่อนุภาคประกอบด้วย – ยังไม่ชัดเจน มีเพียงการกระจายความหนาแน่นของสสารมืดเท่านั้น (ในพื้นที่ใกล้เคียงกาแลคซีของระบบสุริยะคือρDM = 7·10-22 กก. / เมตร3) และความเร็วของอนุภาคทั่วไป โวลต์DM– ประมาณหนึ่งพันของความเร็วของแสง (ที่ความเร็วสูงวัตถุมืดจะไม่คลัสเตอร์รอบกาแลคซี แต่จะทำให้จักรวาลเต็มไปหมด)

เรื่องของสสารมืดในจักรวาลกระจายอยู่อย่างสม่ำเสมอ ปรากฎว่าเป็นไปได้ที่จะอนุมานได้จากข้อเท็จจริงข้อนี้เกี่ยวกับสมบัติของอนุภาคสสารมืด ภาพจาก www.cfa.harvard.edu

ในการทดลองหลายครั้งการค้นหาโดยตรงของอนุภาคของอนุภาคสสารมืด (และเราได้นำเสนอปัญหาความไวของการทดลองเช่นนี้) แต่พวกเขายังไม่ได้ให้คำตอบสุดท้ายเกี่ยวกับธรรมชาติของพวกเขาในสถานการณ์เช่นนี้นักฟิสิกส์ได้คิดค้นและศึกษารูปแบบทฤษฎีต่างๆของอนุภาคสสารมืดที่มีมวลที่ต่างกันมาก พวกเขายังหนักมาก (ไม่สามารถเข้าถึงได้สำหรับการค้นพบทางทดลองโดยตรงที่ colliders) และ "ปกติ" (มีมวลเรียงตามลำดับของมวลโปรตอน) และเบามากไม่เพียง แต่สำหรับอิเล็กตรอนเท่านั้น แต่ยังรวมถึง neutrinos (ซึ่งมวลเป็นเศษส่วนของอิเล็กตรอนโวลต์) นอกจากนี้ในประเภทของพวกเขาพวกเขาสามารถเป็นทั้ง bosons และ fermions

ปรากฎว่าแม้จะไม่มีข้อมูลการทดลองโดยตรงคุณสมบัติบางอย่างของอนุภาคของอนุภาคสสารมืดจะได้มาโดยตรงจากการสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์และพารามิเตอร์ข้างต้น

งาน

พิสูจน์มันว่าอนุภาคที่มีแสงเป็นพิเศษของสสารมืดไม่สามารถเป็น fermions ได้ สมมติว่านี่คือ fermions, พบ ขีด จำกัด โดยประมาณของมวลด้านล่าง


เคล็ดลับ 1

ปัญหากับ fermions ultralight คือจักรวาลจะแน่นเกินไปสำหรับพวกเขามากเกินไป


เคล็ดลับ 2

Fermions แตกต่างจาก Bosos ในการที่พวกเขาปฏิบัติตามหลักการการยกเว้น Pauli: fermions สองไม่สามารถอยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกันดังนั้นเพื่อที่จะนับจำนวน fermions จะพอดีกับระบบ (เช่นในจักรวาล) คุณจำเป็นต้องรู้ว่ามีกี่เซลล์ควอนตัมสำหรับ fermions

วิธีง่ายๆในการหาขนาดของเซลล์เดี่ยวคือการใช้อนุภาคคลื่น – อนุภาคของกลศาสตร์ควอนตัม: อนุภาคที่มีโมเมนตัม พี สอดคล้องกับคลื่นเดินทางที่มีความยาวคลื่นλ = ชั่วโมง/พีที่ไหน ชั่วโมง – ค่าคงที่ของ Planck ความยาวคลื่นนี้กำหนดขนาดโดยประมาณของเซลล์ควอนตัมเดียว


การตัดสิน

สำหรับอนุภาคของอนุภาคสสารมืด ม. ขนาดของเซลล์ควอนตัมมีค่าประมาณλ = ชั่วโมง/mvDMซึ่งหมายความว่าความเข้มข้นของเซลล์ดังกล่าวคือ n0 = 1/λ3 = (mvDM/ชั่วโมง)3. ในขณะเดียวกันความเข้มข้นของอนุภาคของสสารมืดเช่นมวลมีค่าเท่ากัน n = ρDM/ม.. ถ้าทุกสสารมืดประกอบด้วยอนุภาค fermion ของมวลดังกล่าวจากหลักการยกเว้น Pauli ที่เราได้รับ n0 > nซึ่งหมายความว่า

ม. > (ชั่วโมง/โวลต์DM)3/4 ρDM1/4.

การแทนตัวเลขเราได้รับประมาณ 5 · 10-35 กก. ซึ่งประมาณ 30 eV ดังนั้นถ้าทุกสิ่งที่สามารถสังเกตได้ประกอบไปด้วย fermions ชนิดเดียวกันแล้ว มวลของพวกเขาต้องเกิน 30 eV.

การคำนวณนี้หมายความว่าทั้ง neutrinos ตัวเองหรือ fermions อื่น ๆ ไม่สามารถนำไปสู่เรื่องมืดได้ง่ายขึ้น


เล่ม

การวิเคราะห์ที่ดำเนินการขึ้นอยู่กับสมมติฐานว่าสารมืดทั้งหมดประกอบด้วยอนุภาคชนิดเดียวกัน แน่นอนว่าเนื่องจากเราไม่รู้จักธรรมชาติของสสารมืดสมมติฐานนี้สามารถนำออกได้เช่นกัน จากนั้นจะมีผู้สมัคร fermion แสงจำนวนมากสำหรับอนุภาคสสารมืดในจักรวาลและแต่ละคนมีส่วนร่วมน้อยมากกับมวลรวม แต่ภาพดังกล่าวสำหรับนักฟิสิกส์ดูไม่เป็นธรรมชาติเพราะไม่ชัดเจนว่าในทางทฤษฎีจะมีอนุภาคจำนวนมากมีลักษณะเหมือนกันมากหรือน้อย

เป็นที่น่าสนใจเพื่อหารือเกี่ยวกับสิ่งที่จะเกิดขึ้นสำหรับอนุภาคโบลอนที่เบามาก สำหรับพวกเขาไม่มีข้อ จำกัด ที่เกี่ยวข้องกับหลักการของ Pauli ดังนั้นอนุภาคจำนวนมากจึงสามารถถูกวางไว้ในเซลล์ควอนตัมเดียวได้ มีแบบจำลองทางทฤษฎี (ตัวอย่างเช่นบนพื้นฐานของอนุภาคสมมุติของ axions) ซึ่งมวลของอนุภาคเป็นล้านของอิเล็กตรอนโวลต์ ในกรณีนี้ในแต่ละเซลล์จะมีจำนวนอนุภาคขนาดมหภาคจนถึงจำนวนยักษ์ประมาณ 1060. เรื่องของสสารมืดจะเปลี่ยนจากก๊าซธรรมดาลงไปเป็นควอนตัมบอสควบแน่นขนาดของกาแลคซีซึ่งดาวดาวเคราะห์บินและคุณและฉัน สำหรับการสนทนาเกี่ยวกับสถานการณ์ที่ผิดปกติเช่นดูในบทความ arXiv: 1012.1553


Like this post? Please share to your friends:
ใส่ความเห็น

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