Ultraľahké častice temnej hmoty • Igor Ivanov • Populárne vedecké úlohy na "prvkoch" • Fyzika

Ultraľahké častice s temnou hmlou

Z astrofyzikálnych pozorovaní je známe, že vo vesmíre nie je len obyčajná hmotnosť (atómy a iné častice objavené v laboratórnych pokusoch), ale aj takzvaná temná hmota. Navyše je veľa veľa vo vesmíre: jeho kumulatívny príspevok k masovému vesmíru je päťkrát viac ako obyčajná hmotnosť. Tmavá hmota dáva svoju prítomnosť iba nepriamo prostredníctvom gravitačného pôsobenia na hviezdy a galaxie a od toho, z akých častíc sa skladá – stále nie je jasná. Je známe len približné rozloženie hustoty tmavej hmoty (v galaktických štvrtiach slnečnej sústavy, to je ρDM = 7·10-22 kg / m3) a typická rýchlosť častíc, protiDM– asi jednu tisícinu rýchlosti svetla (pri vysokých rýchlostiach sa temná hmota nebude zhromažďovať okolo galaxií, ale bude jednotne vyplňovať vesmír).

Tmavá hmota vo vesmíre je nerovnomerne rozdelená. Ukázalo sa, že z tejto skutočnosti možno vyvodiť určité obmedzenia týkajúce sa vlastností častíc tmavej hmoty. Obrázok z www.cfa.harvard.edu

V mnohých experimentoch sa uskutočňujú priame prehliadania častíc tmavej hmoty (a dokonca sme navrhli problém senzitivity takýchto experimentov), ​​ale stále nedávajú žiadnu konečnú odpoveď na ich povahu.V tejto situácii fyzici vymýšľajú a študujú rôzne teoretické modely častíc tmavej hmoty s veľmi rôznymi hmotnosťami. Tiež sú veľmi ťažké (nedostupné pri priamom experimentálnom objave na kolíkoch) a "normálne" (s hmotnosťou rádu protonovej hmoty) a ultraľahké, oveľa jednoduchšie ako nielen elektróny, ale aj neutríny (ktorých hmotnosť je frakcie elektrónového voltu). Navyše, vo svojom type môžu byť bosóny aj fermiony.

Ukazuje sa, že napriek nedostatku priamych experimentálnych údajov možno niektoré vlastnosti častíc tmavej hmoty odvodiť priamo z astrofyzikálnych pozorovaní a vyššie uvedených parametrov.

úloha

Dokážte tože ultraľahké častice temnej hmoty nemôžu byť fermiony. Za predpokladu, že ide o fermiony, nájsť približný limit ich hmotnosti nižšie.


Tip 1

Problém s ultralight fermions je, že vesmír je tesný pre príliš veľa z nich.


Tip 2

Fermiony sa líšia od bosónov tým, že dodržiavajú princíp vylučovania Pauli: dva fermiony nemôžu byť v rovnakom kvantovom stave.Preto, aby ste mohli počítať, koľko fermónov sa zapojí do systému (napríklad do vesmíru), potrebujete vedieť, koľko kvantových buniek je pre fermiony.

Jednoduchý spôsob, ako nájsť veľkosť jednej bunky, je použiť dualitu kvantovej mechaniky vlnovej častice: častice s hybnosťou p zodpovedá prechodovej vlne s vlnovou dĺžkou λ = hod/pkde hod – Planckov konštanta. Táto vlnová dĺžka definuje približnú veľkosť jednej kvantovej bunky.


rozhodnutie

Pre hmotnosť častíc tmavej hmoty m veľkosť kvantovej bunky je približne λ = hod/mvDM, čo znamená, že koncentrácia takýchto buniek je n0 = 1/λ3 = (mvDM/hod)3, Zároveň sa koncentrácia častíc tmavej hmoty takej hmoty rovná n = ρDM/m, Ak sa celá tmavá hmota skladá z častíc fermionu takej hmoty, potom z princípu vylúčenia Pauli dostaneme n0 > nčo znamená

m > (hod/protiDM)3/4 ρDM1/4.

Nahradením čísel získame približne 5 · 10-35 kg, čo je asi 30 eV. Takže, ak sa všetka pozorovateľná tmavá hmota skladá z fermionov rovnakého druhu, potom ich hmotnosť musí presiahnuť 30 eV.

Tento výpočet znamená, že ani samotné neutríny, ani iné fermóny nemôžu ľahšie prispieť k pozorovateľnej temnej hmoty.


Doslov

Vykonaná analýza je založená na predpoklade, že všetka tmavá hmota sa skladá z častíc rovnakého druhu. Samozrejme, keďže nepoznáme povahu temnej hmoty, tento predpoklad sa môže tiež odstrániť. Potom bude ve vesmíru veľa ľahkých kandidátov kandidátov na fernii pre častice tmavej hmoty a každý z nich má veľmi malý podiel na celkovej hmotnosti. Ale takýto obraz pre fyzikov vyzerá neprirodzene, pretože nie je jasné, kde teoreticky budú mať toľko druhov častíc s viac či menej rovnakými vlastnosťami.

Je zaujímavé diskutovať o tom, čo sa stane pre ultraľahké bosónové častice. Pre nich už neexistuje obmedzenie vzťahujúce sa k princípu Pauli, preto je možné umiestniť veľa častíc do jednej kvantovej bunky. Existujú teoretické modely (napríklad založené na hypotetických časticiach axónov), v ktorých sú hmoty častíc miliónmi elektrónového voltu. V tomto prípade môže byť v každej bunke makroskopický počet častíc až do obrovských čísel približne 1060, Tmavá hmota sa potom zmení z jednoduchého plynu na kvantovú Bose kondenzáciu veľkosti galaxie, vnútri ktorej hviezdy, planéty lietajú a vy a ja. Diskusiu o takejto nezvyčajnej situácii nájdete napríklad v článku arXiv: 1012.1553.


Like this post? Please share to your friends:
Pridaj komentár

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