Tumšās vielas īpaši vieglās daļiņas • Igors Ivanovs • Tautas zinātnes uzdevumi "Elementos" • Fizika

Ultralight Dark Matter daļiņas

No astrofiziskajiem novērojumiem ir zināms, ka Visumā pastāv ne tikai parasta viela (laboratorijas eksperimentos atklātie atomi un citas daļiņas), bet arī tā saucamā tumsā viela. Turklāt Universitātē tas ir daudz: tā kopējais ieguldījums Visuma masā ir piecas reizes lielāks nekā parastajā jautājumā. Tumšā viela savu klātbūtni dod tikai netieši, gravitācijas ietekmē uz zvaigznēm un galaktikām un par to, kuras daļiņas tā sastāv – vēl joprojām nav skaidra. Ir zināms tikai aptuvenais tumšās vielas blīvuma sadalījums (Saules sistēmas galaktikas apkārtnē tas ir ρDM = 7·10-22 kg / m3) un tipisko daļiņu ātrumu, vDM– apmēram tūkstošdaļa no gaismas ātruma (pie liela ātruma tumšā viela nebūtu pulcējušies ap galaktikām, bet vienmērīgi piepildītu Visumu).

Tumšais materiāls Visumā tiek sadalīts nevienmērīgi. Izrādās, ka no šī fakta ir iespējams secināt dažus tumšās vielas daļiņu īpašības. Attēls no www.cfa.harvard.edu

Daudzos eksperimentos tiek veikta tieša tumšās vielas daļiņu meklēšana (un mēs pat ierosinājām šādu eksperimentu jutīguma problēmu), bet tie joprojām nesniedz galīgu atbildi par to raksturu.Šajā situācijā fiziķi izgudro un analizē dažādus teorētiskos modeļus tumšās vielas daļiņām ar ļoti atšķirīgām masām. Tās ir arī ļoti smagas (nepieejamās tiešajam eksperimentālam atklājumam pie kolaidiem) un "normālas" (ar masu protona masas secībā) un ultravieglās, daudz vieglāk, nekā ne tikai elektronos, bet arī neitrīnos (kuru masa ir elektronu voltu frakcijas). Turklāt pēc to veida tie var būt gan bosoni, gan fermioni.

Izrādās, ka, neraugoties uz tiešo eksperimentālo datu trūkumu, daži tumšās vielas daļiņu īpašības var iegūt tieši no astrofiziskajiem novērojumiem un iepriekšminētajiem parametriem.

Uzdevums

Pierādiet toka ļoti tumšās vielas daļiņas nevar būt fermioni. Pieņemot, ka tie ir fermioni, atrast aptuvens to masas ierobežojums zemāk.


1. padoms

Vieglā fermionu problēma ir tāda, ka Visums ir pārāk daudzas no tām.


2. padoms

Fermioni atšķiras no bosoniem, jo ​​tie pakļaujas Paula izslēgšanas principam: divi fermioni nevar būt vienā un tajā pašā kvantu stāvoklī.Tāpēc, lai izskaitļotu, cik daudz fermionu iederas sistēmā (piemēram, Universe), jums jāzina, cik daudz kvantu šūnu ir fermioniem.

Vienkāršs veids, kā atrast vienu šūnas lielumu, ir izmantot kvantu mehānikas viļņu daļiņu dvualitāti: daļiņu ar impulsu p atbilst ceļojošajam viļņam ar viļņa garumu λ = h/pkur h – Planka konstante. Šis viļņa garums nosaka aptuveno vienas kvantu šūnas lielumu.


Šķīdums

Par tumšās vielas daļiņu masu m kvantu šūnas izmērs ir aptuveni λ = h/mvDM, kas nozīmē, ka šādu šūnu koncentrācija ir n0 = 1/λ3 = (mvDM/h)3. Tajā pašā laikā šādas masas tumšās masas daļiņu koncentrācija ir vienāda ar n = ρDM/m. Ja visas tumšās vielas sastāvā ir šādas masas fermionu daļiņas, tad no Pauli izslēgšanas principa mēs iegūstam n0 > nkas nozīmē

m > (h/vDM)3/4 ρDM1/4.

Nosakot ciparus, mēs iegūstam apmēram 5 · 10-35 kg, kas ir aptuveni 30 eV. Tātad, ja visas novērojamās tumšās vielas sastāv no tāda paša veida fermioniem, tad to masa pārsniedz 30 eV.

Šis aprēķins nozīmē, ka ne pašu neitrīnu, ne citus fermentus nevar vieglāk veicināt novērojamo tumšo vielu.


Pēcvārds

Veiktā analīze pamatojas uz pieņēmumu, ka viss tumšais materiāls sastāv no tāda paša veida daļiņām. Protams, tā kā mēs nezinām tumšās vielas dabu, šo pieņēmumu var noņemt arī. Tad būs daudz gaismas fermionu kandidātu kandidātu tumšās vielas daļiņām Universe, un katrs no tiem dod ļoti mazu ieguldījumu kopējā masā. Bet šāds fiziķu priekšstats izskatās nedabisks, jo nav skaidrs, kur teorētiski būs tik daudz veidu daļiņu ar vairāk vai mazāk vienādām īpašībām.

Interesanti ir apspriest, kas notiks ultralīda bosona daļiņām. Tiem vairs nav ierobežojumu, kas saistīts ar Pauli principu, tādēļ, jo daudzas daļiņas var novietot vienā kvantu šūnā. Pastāv teorētiskie modeļi (piemēram, pamatojoties uz hipotētiskām aksionu daļiņām), kurās daļiņu masas ir miljonos elektronu voltu. Šajā gadījumā katrā šūnā var būt makroskopisks daļiņu skaits, līdz pat milzīgiem skaitļiem ir apmēram 1060. Tumšā viela pēc tam pāriet no vienkāršas gāzes uz kvantu Bose kondensātu, kas ir galaktikas izmērs, kurā zvaigznes, planētas lido, un jūs un I. Lai apspriestu šādu neparastu situāciju, skatiet, piemēram, rakstā arXiv: 1012.1553.


Like this post? Please share to your friends:
Atbildēt

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