Тёмные фотоны могут стать кандидатами на роль тёмной материи благодаря новому механизму

Тёмные фотоны приобретают массу благодаря полю, называемому «тёмным бозоном Хиггса» (красный цвет), когда оно оседает в круговой долине своей функции потенциальной энергии, обычно имеющей форму бутылки вина. Если тёмные фотоны образуются очень рано во Вселенной при высокой плотности, они оказываются запертыми в длинных конфигурациях, называемых космическими струнами, которые лежат в центре этого потенциала. Если же их образование происходит позже, при меньших плотностях, тёмные фотоны остаются в виде волновых возбуждений (чёрный цвет) в долине и могут служить жизнеспособными кандидатами на роль тёмной материи. Авторы: Дэвид Синсинейтс и Зак Вайнер.

Исследователи в недавней статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, представили новый механизм, который наконец-то позволяет рассматривать ультралёгкие тёмные фотоны в качестве серьёзных кандидатов на роль тёмной материи. Это открытие может иметь важные последствия для поисков этой загадочной субстанции.

Считается, что около 85% всей материи во Вселенной — это тёмная материя, но она остаётся загадкой для учёных, так как её невозможно наблюдать напрямую.

Одним из кандидатов на роль частиц тёмной материи являются тёмные фотоны. Эти гипотетические частицы похожи на обычные фотоны, но обладают массой и взаимодействуют с обычной материей крайне слабо.

Однако теоретический прогресс в моделях тёмных фотонов в качестве тёмной материи сдерживался «ограничением кинетического смешивания». В ранней Вселенной тёмные фотоны часто образовывали сети космических струн из-за кинетического смешивания с обычными фотонами, что мешало им выживать в виде отдельных частиц тёмной материи.

Эти струноподобные структуры не могут гравитационно сгущаться, образуя гало галактик или воспроизводя наблюдаемые сигнатуры тёмной материи, что фактически исключало их из списка жизнеспособных кандидатов.

Дэвид Синсинейтс из Вашингтонского университета и Зак Вайнер из Института теоретической физики «Периметр» предложили новое решение, которое может преодолеть это фундаментальное ограничение.

«Меня поразило недавнее исследование, предполагающее, что многие предложенные модели тёмных фотонов могут не работать в качестве тёмной материи», — рассказал Синсинейтс Phys.org. «Это подняло вопрос: действительно ли все такие модели исключены, или мы можем найти сценарии, которые всё ещё работают — особенно те, которые можно проверить в следующем поколении экспериментов?»

Побег из космических струн

Проблема космических струн возникает потому, что тёмные фотоны обычно приобретают массу через механизм, аналогичный тому, как обычные частицы получают массу — через взаимодействие с полем, называемым «тёмным бозоном Хиггса».

Когда этот процесс происходит в ранней Вселенной при высокой плотности, тёмные фотоны оказываются запертыми в длинных струноподобных конфигурациях, простирающихся на космические расстояния.

«Тёмные фотоны стремятся собраться в космические струны, когда их плотность в пространстве высока», — пояснил Вайнер. «Высокую плотность трудно избежать, так как любой кандидат на роль тёмной материи должен был впервые появиться в ранней истории Вселенной, когда она была гораздо плотнее».

Ключевая идея нового исследования — «время». Задержав образование тёмных фотонов до более позднего периода космической истории, учёные обнаружили, что можно избежать условий высокой плотности, ведущих к формированию космических струн.

«Наша модель стремилась минимизировать этот эффект, откладывая эпоху образования тёмных фотонов как можно позже — как раз к моменту, когда они могли бы сыграть свою роль в качестве холодной тёмной материи во время формирования анизотропий реликтового излучения», — объяснил Вайнер.

Модель исследователей включает скалярное поле, которое эволюционирует со временем, эффективно изменяя параметры теории по мере старения Вселенной. Это поле подавляет массу тёмных фотонов в ранней Вселенной, а затем позволяет ей расти через процесс, называемый тахионной неустойчивостью.

Параметрическое пространство тёмных фотонов как тёмной материи, включая исключения из астрофизических, космологических и галлоскопических наблюдений (серый цвет) и экспериментальные перспективы (жёлтый цвет). Автор: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.211002

Перспективы обнаружения

«В простейшем сценарии, где тёмные фотоны создаются во время инфляции, они работают только если почти полностью невидимы для обычной материи, что плохо для их обнаружения», — отметил Синсинейтс.

«Тёмный фотон может тогда позволить себе более сильные взаимодействия, открывая двери для обнаружения в лабораторных экспериментах».

Исследователи выделили несколько предстоящих экспериментов, которые могли бы обнаружить предсказанные ими тёмные фотоны. Среди них — поиски с использованием резонаторов, где сверхчувствительные детекторы в экранированных средах могут улавливать слабые сигналы, создаваемые тёмными фотонами.

«Эксперименты, такие как DM-Radio, ALPHA, Dark E-field и MADMAX, могут обнаружить тёмные фотоны, предсказанные нашей моделью», — сказал Синсинейтс.

Некоторые эксперименты используют радиочастотные методы для поиска преобразований тёмных фотонов, в то время как другие полагаются на поведение света в плазме, чтобы обеспечить резонансное преобразование тёмных фотонов в обычные.

Кроме лабораторного обнаружения, механизм позднего образования создаёт характерные сигнатуры в формировании космических структур. Задержка производства приводит к усилению структур на малых масштабах, включая мини-гало с характерными массами и размерами, которые можно наблюдать с помощью будущих телескопов.

«Будущие телескопы могут увидеть намёки на усиленные маломасштабные структуры, характерные для нашего предложения, например, через дрожание в движении или яркости звёзд», — пояснил Вайнер. «Но прямое обнаружение в лаборатории стало бы ключевым доказательством того, что наблюдаемый астрофизический сигнал действительно связан с тёмными фотонами как тёмной материей».

Последствия для будущего

Исследование предлагает конкретные экспериментальные цели и наблюдаемые предсказания, которые могут направлять будущие поиски тёмной материи.

Модель фокусируется на тёмных фотонах, приобретающих массу через тёмную версию механизма Хиггса, аналогично тому, как обычные частицы, такие как W- и Z-бозоны, получают свою массу. Однако исследователи отмечают, что альтернативные механизмы генерации массы могут сталкиваться с другими ограничениями.

«Альтернативная возможность, так называемая масса Штюкельберга, может быть не так сильно ограничена, но пока неизвестно, образуются ли в этом случае космические струны и как они себя ведут», — сказал Вайнер.

Исследователи считают, что их модель открывает новое параметрическое пространство, которое ранее считалось исключённым, давая новую надежду на обнаружение одного из самых интересных кандидатов на роль тёмной материи.

Дополнительная информация: David Cyncynates et al, Detectable and Defect-Free Dark Photon Dark Matter, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.211002.