Темные фотоны получили второй шанс: прежние ограничения оказались завышенными

Темная материя остается одной из самых больших загадок современной физики. Ученые практически не сомневаются в ее существовании: именно ее гравитационное воздействие удерживает звезды в галактиках. Однако состав этой невидимой субстанции до сих пор неизвестен, и исследователи предлагают самые разные кандидаты — от тяжелых вимпов до сверхлегких аксионов.

Почему темные фотоны попали в опалу

Среди возможных объяснений темной материи рассматривались и так называемые темные фотоны — частицы, похожие на обычные фотоны, но относящиеся к гипотетическому «темному сектору», лежащему за пределами Стандартной модели. Однако от этой идеи почти отказались после того, как расчеты показали: такие частицы должны были заметно нагревать вещество в ранней Вселенной.

В ту эпоху космос был заполнен горячей плазмой — смесью свободных электронов и ионов. Согласно прежним моделям, в какой-то момент частота колебаний плазмы могла совпасть с массой темного фотона. Это явление называют резонансом: когда частоты совпадают, энергия особенно легко переходит от одного колебания к другому. В результате темные фотоны должны были передать плазме значительную часть своей энергии и нагреть ее. Такой нагрев оставил бы следы в наблюдаемой Вселенной, например, изменил бы свойства реликтового излучения. Но ничего подобного обнаружить не удалось, что и привело к ужесточению ограничений на существование темных фотонов.

Новое моделирование: плазма сама себя защищает

Авторы нового исследования решили пересмотреть эти ограничения. Чтобы понять, действительно ли плазма будет продолжать поглощать энергию темных фотонов после начала резонанса, физики провели компьютерное моделирование, в котором отдельно отслеживали поведение электронов и ионов. Такой подход принципиально важен: в прежних расчетах плазму рассматривали преимущественно как линейную систему, считая, что если передача энергии началась, то она будет продолжаться.

Однако в реальной плазме все оказалось сложнее. Сначала темные фотоны действительно передавали энергию электронам, возбуждая в плазме особые колебания — ленгмюровские волны. Но по мере роста их энергии в системе появлялись другие колебания, в том числе ионно-акустические волны, которые приводили к небольшим изменениям плотности плазмы в разных местах.

Из-за этих колебаний плазма становилась неоднородной, и условия для быстрого резонанса нарушались. Передача энергии от темных фотонов к плазме быстро замедлялась — фактически плазма сама не давала этому процессу продолжаться.

В итоге оказалось, что прежние ограничения на темные фотоны были много слабее, чем считалось. В зависимости от массы частицы допустимая сила ее взаимодействия с обычным веществом может быть в 3000–10 миллионов раз больше прежних оценок. Это означает, что диапазон параметров, который раньше считался практически исключенным, снова можно рассматривать.

Что это значит для науки

Результаты работы не доказывают, что темные фотоны действительно существуют или что именно они составляют темную материю. Тем не менее физики показали, что один из главных космологических аргументов против этой гипотезы оказался не таким надежным, как считалось. Так что темные фотоны снова становятся возможной целью для будущих поисков гипотетических частиц темной материи.