Labai lengvos tamsios materijos dalelės • Igoris Ivanovas • Populiariosios mokslinės užduotys "Elementuose" • Fizika

Ultravioletinių tamsių dalelių dalelės

Iš astrofizinių stebėjimų žinoma, kad Visatoje yra ne tik paprastoji materija (atomų ir kitų dalelių, atrasta laboratoriniais eksperimentais), bet ir vadinamoji tamsioji materija. Be to, visatoje yra daug jo: jo bendrasis indėlis į Visatos masę yra penkis kartus didesnis nei įprasto dalyko. Tamsi materija savo buvimą suteikia netiesiogiai, gravitaciniu poveikiu žvaigždėms ir galaktikams bei dalelių, kurias ji sudaro, vis dar nėra aiški. Yra žinomas tik apytikslis tamsiosios medžiagos tankio pasiskirstymas (Saulės sistemos galaktiniuose rajonuose – ρDM = 7·10-22 kg / m3) ir tipinis dalelių greitis vDM– apie vieną tūkstantąją šviesos greitį (dideliu greičiu tamsi materija nebūtų sukaupta aplink galaktikų, bet vienodai užpildytų Visatą).

Tamsi materija Visatoje yra paskirstyta nevienodai. Pasirodo, iš šio fakto galima daryti tam tikrus tamsiosios medžiagos dalelių savybių apribojimus. Vaizdas iš www.cfa.harvard.edu

Daugelyje eksperimentų vykdomi tiesioginiai tamsiosios medžiagos dalelių tyrimai (ir mes netgi pasiūlėme tokių eksperimentų jautrumo problemą), tačiau jie vis dar nesuteikia galutinio atsakymo dėl jų pobūdžio.Esant tokiai situacijai, fizikai kuria ir analizuoja įvairius teorinius tamsiosios medžiagos daleles su labai skirtingomis masėmis. Jie taip pat yra labai sunkūs (nepasiekiami tiesioginiam eksperimentiniam atradimui kolaideriais), o "normalus" (masės protonų masės tvarka) ir ultralengvinis, daug lengviau ne tik elektronų, bet ir neutrinų (kurių masė yra elektronų voltų dalys). Be to, jų tipo jie gali būti ir bozonai, ir fermionai.

Pasirodo, kad, nepaisant tiesioginių eksperimentų duomenų stokos, kai kurios tamsiosios medžiagos dalelių savybės gali būti išvestos tiesiai iš astrofizinių stebėjimų ir aukščiau išvardytų parametrų.

Užduotis

Įrodyk taikad itin lengvos tamsiosios medžiagos dalelės negali būti fermionais. Darant prielaidą, kad tai yra fermionai, rasti apytikslė jų masės riba žemiau.


1 patarimas

Problema su ultralifikuotomis fermionomis yra ta, kad Visata yra stipri, jei per daug jų.


2 patarimas

Fermionai skiriasi nuo bozonų, nes jie laikosi Pauli išskyrimo principo: du fermionai negali būti toje pačioje kvantinėje būsenoje.Todėl, norint apskaičiuoti, kiek fermionų įstums į sistemą (pvz., Į Visatą), reikia žinoti, kiek kvantuose yra fermionų.

Paprastas būdas rasti vieno langelio dydį yra kvantinės mechanikos bangų dalelių dvilypumas: dalelė su impulso p atitinka bėgimo bangą su bangos ilgiu λ = h/pkur h – planka pastovi. Šis bangos ilgis apibrėžia apytikslį vieno kvantinės kameros dydį.


Sprendimas

Dėl tamsiosios medžiagos dalelių masės m Kvantinės kameros dydis yra maždaug λ = h/mvDM, o tai reiškia, kad tokių ląstelių koncentracija yra n0 = 1/λ3 = (mvDM/h)3. Tuo pačiu metu tokios masės tamsiųjų dalelių koncentracija yra lygi n = ρDM/m. Jei visos tamsiosios medžiagos sudaro tokios masės fermiono dalelės, tai mes gauname iš Pauli išsiskyrimo principo n0 > ntai reiškia

m > (h/vDM)3/4 ρDM1/4.

Pakeičiant skaičių, mes gauname apie 5 · 10-35 kg, kuris yra apie 30 eV. Taigi, jei visas pastebimas tamsusis materlas susideda iš to paties tipo fermentų, tada jų masė turi viršyti 30 eV.

Šis skaičiavimas reiškia, kad nei pats neutriinas, nei bet kuris kitas fermionas gali lengviau prisidėti prie stebimos tamsios medžiagos.


Po žodžio

Atlikta analizė pagrįsta prielaida, kad visa tamsioji materija susideda iš to paties tipo dalelių. Žinoma, kadangi mes nežinome tamsios materijos prigimties, ši prielaida taip pat gali būti pašalinta. Tada dauguma šviesos fermento kandidatų kandidatų bus tamsiosios medžiagos dalelės visatoje, ir kiekvienas iš jų labai mažai prisideda prie bendros masės. Tačiau tokia nuotrauka fizikams atrodo nenatūrali, nes neaišku, kur teoriškai bus tiek daug dalelių, turinčių daugiau ar mažiau tų pačių savybių.

Įdomu aptarti, kas įvyks ultralengvinių bosonų dalelėms. Jiems nebėra apribojimų, susijusių su Pauli principu, todėl, nes daug dalelių gali būti dedamos į vieną kvantinę kamerą. Yra teoriniai modeliai (pavyzdžiui, remiantis hipotetinėmis aksionų dalelėmis), kurių dalelių masės yra milijonai elektronų volto. Tokiu atveju kiekvienoje ląstelėje gali būti makroskopinis dalelių skaičius, kurio milžiniški skaičiai yra apie 1060. Tamsioji medžiaga tada pasisuka iš paprastų dujų į kvantinį Boseo kondensatą, kurio dydis yra galaktika, kurioje yra žvaigždės, planetos ir jūs ir aš. Norėdami aptarti tokią neįprastą situaciją, žr., Pavyzdžiui, straipsnyje arXiv: 1012.1553.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

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