Тёмная материя остаётся одной из самых больших загадок современной физики. Она не излучает и не поглощает свет, но её гравитационное влияние ощущается повсюду — от вращения галактик до крупномасштабной структуры Вселенной. Среди гипотетических кандидатов на роль этой невидимой субстанции давно рассматривают «тёмные фотоны» — частицы, которые могли бы быть переносчиками силы в «тёмном» секторе, аналогично обычным фотонам в электромагнетизме.

Долгое время многие космологические наблюдения практически исключали существование тёмных фотонов. Новое исследование, опубликованное 13 августа в журнале Physical Review Letters, показывает: прежние ограничения были слишком жёсткими. Если расчёты верны, пространство возможных параметров для поиска этих частиц значительно расширяется.

Почему тёмные фотоны «запрещали»

Согласно прежним моделям, в ранней горячей Вселенной тёмные фотоны должны были постепенно превращаться в обычные фотоны. Этот процесс нагревал бы уже раскалённую плазму и оставлял заметные следы в реликтовом излучении и других космологических данных. Чтобы не противоречить наблюдениям, взаимодействие тёмных фотонов с обычной материей приходилось делать чрезвычайно слабым — примерно в сто миллионов раз слабее, чем допускают новые расчёты.

Именно эти жёсткие ограничения заставляли многих физиков считать тёмные фотоны маловероятным кандидатом.

Что изменили компьютерные симуляции

Команда исследователей, в которую входят учёные из Университета Мэриленда и Института теоретической физики Периметр, обнаружила важный нюанс. Прежние расчёты опирались на линейное приближение: энергия считалась передающейся плавно и постепенно. Однако более точные компьютерные модели показали, что процесс на самом деле сильно нелинейный.

Как только небольшая часть энергии тёмных фотонов переходит в обычную плазму, сама плазма «сходит с ума» — в ней возникают сложные нелинейные эффекты, которые быстро останавливают дальнейшую конверсию. В результате значительного нагрева ранней Вселенной просто не происходит.

«Линейное приближение, которым пользовались последние пятнадцать лет, даёт огромную передачу энергии. Но это невозможно. Нелинейности практически выключают процесс после того, как перешла лишь крошечная доля энергии», — объяснил Цзюньву Хуан из Института Периметр.

Новые возможности для поиска

Благодаря этому открытию ранее «закрытые» области параметров снова становятся доступными для экспериментов. По словам Энсона Хука из Университета Мэриленда, сила взаимодействия тёмной материи может быть на восемь порядков больше, чем считалось допустимым раньше.

«Эта работа открывает множество новых возможностей для поиска тёмной материи», — подчеркнул он.

Исследователи отмечают, что правильный расчёт поведения плазмы в ранней Вселенной позволит будущим экспериментам прощупать ранее недоступные области и, возможно, наконец увидеть сигналы тёмных фотонов.

Вкратце

Новые компьютерные симуляции показали, что тёмные фотоны — гипотетические частицы тёмной материи — не нагревали бы раннюю Вселенную так сильно, как считалось раньше. Нелинейные эффекты в плазме быстро останавливают превращение тёмных фотонов в обычные. Это снимает прежние жёсткие ограничения и значительно расширяет пространство параметров, в котором учёные могут искать эти частицы. Работа опубликована в Physical Review Letters и может изменить стратегию охоты за тёмной материей.