Модель инфляции предполагает образование тёмной материи до Большого взрыва

Автор: Geralt on <a href="https://pixabay.com/illustrations/stars-sky-space-space-wallpaper-2643089/">Pixabay</a>.

В то время как физики продолжают свои попытки найти и объяснить происхождение темной материи — примерно 80% материи во Вселенной, которую мы не видим и до сих пор не смогли обнаружить, исследователи предложили модель, согласно которой она образовалась до Большого взрыва.

Интригующая идея среди космологов заключается в том, что темная материя образовалась в результате ее взаимодействия с термальной ванной некоторых видов, а ее обилие создается путем «замораживания» или «замораживания». В сценарии с замораживанием темная материя находится в химическом равновесии с ванной в самые ранние моменты времени — концентрация каждого из них не меняется со временем.

В картине заморозки темная материя никогда не приходит в равновесие с ванной. Такое подавленное взаимодействие между темной материей и термальной ванной может быть следствием взаимодействий в квантовых теориях поля, либо инфракрасной заморозки, либо ультрафиолетовой заморозки.

При УФ-замораживании температура термальной ванны всегда ниже массы частиц, которые связывают темную материю со Стандартной моделью физики элементарных частиц. (Масса и температура пропорциональны энергии и могут быть связаны через фундаментальные константы.)

Теория инфляции была разработана около 45 лет назад, предполагая период экспоненциально быстрого расширения в очень ранней Вселенной, где Вселенная расширилась примерно в ¹⁰²⁶ раз за ^10-36 секунд. (После того, как инфляция прекратилась, Вселенная продолжила расширяться, хотя и не экспоненциально.)

Миллиарды лет спустя темная энергия начала ускорение, которое мы наблюдаем сегодня.) Идея инфляции четко объясняет многие загадки космологии, такие как проблема плоскостности, проблема однородности и проблема монополя, а также объясняет происхождение структуры во Вселенной как квантовых флуктуаций, которые были чрезвычайно усилены.

Хотя космологи в основном признают инфляцию частью картины Большого взрыва на основе некоторых доказательств (хотя существуют и существенные разногласия), движущая сила инфляции до сих пор неизвестна.

Космологи называют его в общем виде инфлатоном, гипотетическим полем, которое охватывает все пространство-время некоторой скалярной (спин нулевой) частицы, возможно, поля Хиггса. (Возможно, нет.) Инфляция происходит так быстро, что Вселенная находится в состоянии сверхохлажденного расширения, где температура падает примерно в 100 000 раз.

Эта низкая температура сохраняется на протяжении инфляционной стадии. Когда инфляция заканчивается, температура возвращается к доинфляционной температуре, этот процесс называется повторным нагревом, и поле инфлатона распадается на частицы Стандартной модели, включая фотоны.

Исследования показали, что ванна может достигать гораздо более высоких температур, чем температура повторного нагрева, а при ультрафиолетовом замораживании количество образующейся темной материи зависит от самой высокой температуры термальной ванны.

Однако до сих пор исследования не рассматривали возможность того, что значительная часть темной материи могла образоваться во время инфляционного расширения и не быть рассеянной.

В модели WIFI статьи — Warm Inflation via ultraviolet Freeze-In — темная материя создается посредством небольших и редких взаимодействий с частицами в горячей, энергичной среде. Она содержит новый механизм, в котором это производство происходит непосредственно перед Большим взрывом, во время космической инфляции, что приводит к тому, что темная материя формируется гораздо раньше, чем в существующих теориях, посредством замораживания.

Хотя это звучит необычно, многие космологи теперь считают, что инфляция произошла до Большого взрыва, поскольку существование сингулярности Большого взрыва с бесконечной плотностью и бесконечной кривизной пространства-времени кажется нереалистичным.

Вместо этого Вселенная после инфляции имела бы небольшой размер, примерно 10 ^-26 метров в диаметре, и с этого момента происходили бы стандартные этапы излучения и рождения частиц, а затем происходил бы нуклеосинтез для заселения Вселенной.

Теоретики предложили иную точку зрения на роль инфляции в роли темной материи посредством замораживания.

«Уникальность нашей модели в том, что темная материя успешно создается во время инфляции», — сказала Кэтрин Фриз, директор Института теоретической физики Вайнберга и Техасского центра космологии и астрофизики частиц в Техасском университете в Остине и ведущий автор статьи. «В большинстве [других] моделей все, что создается во время инфляции, затем «раздувается» экспоненциальным расширением Вселенной до точки, где по сути ничего не остается».

В этом новом механизме вся темная материя, которую мы наблюдаем сегодня, могла быть создана в течение того короткого периода инфляции до Большого взрыва. Квантовое поле, управляющее инфляцией, инфлатон, теряет часть своей энергии на излучение, и это излучение, в свою очередь, производит частицы темной материи через механизм замораживания. Что было до инфляции? Физики понятия не имеют.

Модель WIFI пока не может быть подтверждена наблюдениями. Но ключевая часть сценария, теплая инфляция, будет проверена в течение следующего десятилетия так называемыми экспериментами с космическим микроволновым фоном. Подтверждение теплой инфляции станет значительным шагом для сценария производства темной материи модели WIFI.

«В нашем исследовании мы сосредоточились на производстве темной материи, но WIFI предполагает более широкую применимость», — сказал Бармак Шамс Эс Хаги, соавтор статьи вместе с Габриэле Монтефальконе, «например, производство других частиц, которые могли бы играть решающую роль в эволюции ранней Вселенной. Это открывает новые возможности для будущих исследований».

Больше информации: Katherine Freese et al, Dark Matter Production during Warm Inflation via Freeze-In, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.211001