宇宙暗物质的候选者,轴子和暗光子是揭开新物理学“暗物质”神秘面纱两种最有希望的粒子类型,轴子标量场解释了中子没有电偶极矩的原因,而暗光子类似于产生电磁的规则光子,但它的质量和耦合程度要弱得多。在过去,许多研究早期宇宙动力学的宇宙学家提出了专注于轴子或暗光子的理论。另一方面,探索早期宇宙中这两种粒子之间相互作用的研究仍然很少。考虑到这一点,马里兰大学和约翰霍普金斯大学科学家进行了一项研究:

旨在研究早期宇宙中轴子和暗光子之间的相互作用,其研究成果发表在《物理评论快报》期刊上,研究了一系列轴子与背景场中大质量暗光子能否相互作用。开展这项研究的研究人员之一古斯塔沃·马奎斯-塔瓦雷斯说:虽然有大量关于这两种粒子中,只有一种粒子理论的宇宙学演化文献,但我们有兴趣了解这两种粒子在早期宇宙中的相互作用如何会导致新特征,并最终发现与它们混合相互作用相关非常有趣的行为。

研究观察到的新效应,与其他更普遍被认为的混合类型截然不同。首先,研究人员着手发展一个物理假说,为了做到这一点,他们解决了通常适用于复杂分析问题特定方程的简化版本。研究使用了两种数学技术,即WKB近似和绝热近似,以获得研究所关注问题的一系列可能解决方案。然后确定的近似解与精确数值解进行了比较,发现两者匹配得相当好。总体而言,研究人员认为,大质量玻色场之间的单一导数混合,可能会促使场动力学发生实质性变化。

轴子和暗光子之间相互作用

更具体地说,它可以推迟经典振荡的开始,减少甚至消除哈勃常数产生的影响,哈勃常数是宇宙膨胀的速度。研究人员通过一些例子进一步描述了研究的现象,这些例子突出了轴子和暗光子之间相互作用的可能性。在许多方面,光标量场和矢量场的行为更像经典场,而不是量子粒子的宇宙演化。研究发现,与不包括暗光子混合的理论相比,研究方法大大增强了轴子的振幅。

由于场中存储的能量密度随着振幅增加而增长,这导致轴子的最终能量密度更大,使其能够解释宇宙中的所有暗物质。研究人员引入了一些计算,这些计算突出了轴子和暗光子之间的一阶导数混合影响,而不是更典型的质量混合或动力学混合。其研究结果也为未来的研究指明了新方向,旨在更好地理解粒子之间一阶导数混合的影响,特别是在早期宇宙中。

在研究团队的下一项研究中,研究人员计划更密切地研究暗光子,因为它们很容易观察,因此已经成为广受欢迎的暗物质候选者。在早期宇宙中,暗光子的产生问题是出了名的棘手,因此,对科学家来说,解释所有的暗物质都具有挑战性。增加轴子数量的相同机制,也可以用来增加暗光子的数量,让它们成为暗物质候选者,研究下一步计划探索所提出适用于暗光子的新机制。

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博科园|研究/来自:马里兰大学/约翰霍普金斯大学

Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli/Phys

参考期刊《物理评论快报》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.211801

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重磅发现!暗物质的候选者:轴子和暗光子之间,竟能够相互作用!

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宇宙暗物质的候选者,轴子和暗光子是揭开新物理学“暗物质”神秘面纱两种最有希望的粒子类型,轴子标量场解释了中子没有电偶极矩的原因,而暗光子类似于产生电磁的规则光子,但它的质量和耦合程度要弱得多。