Найдены новые пределы свойств темной материи

Пределы частоты событий распада темной материи. Используя определенные модели для темной материи (NFW, профиль Наварро-Френка-Уайта и обобщенный профиль Хернквиста), ученые оценили нижние пределы для времени жизни темной материи. Используя модель NFW, нижняя граница для времени жизни распада составляет около 10 с 25-26 нулями, в секундах. Автор: Wen Yin, Tokyo Metropolitan University

Команда под руководством члена Токийского столичного университета достигла успехов в поиске темной материи, наблюдая галактики с помощью новой спектрографической технологии и телескопа Магеллана Клэя. Всего за четыре часа наблюдений точные измерения в инфракрасном диапазоне установили новые пределы времени жизни темной материи.

Их выводы, опубликованные в журнале Physical Review Letters, подчеркивают исключительную полезность их технологии и расширяют поиск на менее изученные части спектра.

За последнее столетие космологи боролись с очевидным противоречием в том, что они видели во Вселенной. Наблюдения за вращением галактик, например, подразумевают, что там гораздо больше массы, чем мы можем видеть.

Физики называют эту «недостающую» массу «темной материей». Феноменально сложным поиск темной материи делает тот факт, что мы не только не можем ее увидеть, но и не имеем четкого представления о том, что именно ищем.

Теперь исследователи начали использовать комбинацию моделей и новейших наблюдений, чтобы наложить ограничения на свойства, которыми может обладать темная материя.

В недавней разработке группа ученых из Японии под руководством доцента Вэнь Инь из Токийского столичного университета использовала новую спектрографическую технику для наблюдения света, приходящего от двух галактик, Leo V и Tucana II. Они использовали телескоп Магеллана Клея диаметром 6,5 м в Чили для сбора света, приходящего на Землю, уделяя пристальное внимание инфракрасной области спектра.

Команда сосредоточилась на перспективном кандидате темной материи, аксионоподобной частице (ALP), и рассмотрела, как она «распадается» и спонтанно испускает свет. Ведущие теоретические модели делают ближнюю инфракрасную часть спектра особенно перспективным местом для поиска.

Спектрографическая технология для разделения света от распадающейся темной материи и фонового света. WINERED использует более широкие спектральные свойства фонового света, чтобы отличить его от света от событий распада. Автор: Wen Yin, Tokyo Metropolitan University

Однако инфракрасный диапазон также является переполненной и запутанной частью электромагнитного спектра. Это происходит из-за огромного количества источников шума и помех от других источников. Примерами служат зодиакальный свет, слабое рассеяние солнечного света межзвездной пылью и свет, излучаемый атмосферой, когда она нагревается солнцем.

Чтобы обойти это, в своей предыдущей работе они предложили новую методику, которая использует тот факт, что фоновое излучение имеет тенденцию включать более широкий диапазон длин волн, тогда как свет от определенного процесса распада сильнее смещен в узкий диапазон.

Подобно тому, как свет, выходящий из призмы, становится тусклее, поскольку различные цвета распределяются все тоньше и тоньше, события распада, ограниченные узким диапазоном, становятся все резче и резче. Различные современные инфракрасные спектрографы, такие как NIRSpec на космическом телескопе Джеймса Уэбба, WINERED на телескопе Магеллана Клэя и многие другие, могут быть использованы для реализации этой техники, эффективно превращая эти инструменты в превосходные детекторы темной материи.

Благодаря точности технологии команды (WINERED) им удалось со значительной статистической точностью учесть весь свет, обнаруженный в ближнем инфракрасном диапазоне.

Тот факт, что не было обнаружено никакого распада, был затем использован для установления верхних границ частоты этих событий распада или нижней границы времени жизни частиц ALP. Их новая нижняя граница в секундах составляет 10 с 25-26 нулями после нее, или от десяти до ста миллионов раз больше возраста Вселенной.

Это открытие важно не только потому, что это самый строгий предел для времени существования темной материи.

Работа использует передовые технологии инфракрасной космологии для решения проблем в фундаментальной физике частиц. И хотя их выводы основаны на строгом анализе данных на данный момент, есть намеки на аномалии или «излишки», которые предлагают заманчивую перспективу фактического обнаружения темной материи с большим количеством данных и большим анализом. Поиск недостающей части нашей Вселенной продолжается.

Больше информации: Wen Yin et al, First Result for Dark Matter Search by WINERED, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.051004. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2402.07976

Источник: Tokyo Metropolitan University