Ultralekkie cząsteczki ciemnej materii • Igor Iwanow • Popularne zadania naukowe na temat "Elementów" • Fizyka

Ultralekkie cząsteczki ciemnej materii

Astrofizyczna obserwacji wiadomo, że w świecie występuje nie tylko zwykłych substancji (węgla i innych zanieczyszczeń w otwartych badań laboratoryjnych), ale również tak zwany ciemny znaczenie. Co więcej, jest ich dużo we Wszechświecie: jego łączny wkład w masę Wszechświata jest pięć razy większy niż w przypadku zwykłej materii. Ciemna materia ujawnia swoją obecność jedynie pośrednio, poprzez grawitacyjny wpływ na gwiazdy i galaktyki oraz na cząstki, z których składa się – wciąż nie jest jasna. Znany jest tylko przybliżony rozkład gęstości ciemnej materii (w galaktycznych sąsiedztwach układu słonecznego jest to ρDM = 7·10-22 kg / m3) i typową prędkość cząstki, vDM– około jednej tysięcznej prędkości światła (przy wysokich prędkościach ciemna materia nie skupiałaby się wokół galaktyk, ale jednolicie wypełniałaby wszechświat).

Ciemna materia we Wszechświecie jest rozprowadzana nierównomiernie. Okazuje się, że z tego faktu można wywnioskować pewne ograniczenia właściwości cząstek ciemnej materii. Obraz z www.cfa.harvard.edu

W wielu eksperymentach przeprowadzane są bezpośrednie poszukiwania cząstek ciemnej materii (a nawet zaproponowaliśmy problem wrażliwości takich eksperymentów), ale wciąż nie dają ostatecznej odpowiedzi co do ich natury.W tej sytuacji fizycy wymyślają i badają różne teoretyczne modele cząstek ciemnej materii o bardzo różnych masach. Są one bardzo ciężkie (niedostępny do bezpośredniego wykrywania doświadczalnej akceleratora), a „normalnym” (o masie około masy proton) i ultra-lekkie, znacznie lżejsze, nie tylko elektronów, ale również neutriny (masa części elektronów). Ponadto, w swoim typie mogą być zarówno bozonami, jak i fermionami.

Okazuje się, że pomimo braku bezpośrednich danych eksperymentalnych, niektóre właściwości cząstek ciemnej materii można wyprowadzić bezpośrednio z obserwacji astrofizycznych i powyższych parametrów.

Zadanie

Udowodnij toże ultralekkie cząstki ciemnej materii nie mogą być fermionami. Zakładając, że są to fermiony, znaleźć przybliżony limit ich masy poniżej.


Wskazówka 1

Problem z ultralekkimi fermionami polega na tym, że Wszechświat jest zbyt napięty dla zbyt wielu z nich.


Wskazówka 2

Fermiony różnią się od bozonów tym, że przestrzegają zasady wykluczenia Pauliego: dwa fermiony nie mogą znajdować się w tym samym stanie kwantowym.Dlatego, aby policzyć, ile fermionów będzie pasowało do systemu (na przykład do wszechświata), musisz wiedzieć, ile komórek kwantowych jest dla fermionów.

Prostym sposobem na znalezienie wielkości pojedynczej komórki jest wykorzystanie dwoistości falowo-cząsteczkowej mechaniki kwantowej: cząstki z rozmachem str odpowiada fali podróżnej o długości fali λ = h/strgdzie h – Stała Plancka. Ta długość fali określa przybliżoną wielkość pojedynczej komórki kwantowej.


Rozwiązanie

Dla masy cząstek ciemnej materii m wielkość komórki kwantowej wynosi w przybliżeniu λ = h/mvDM, co oznacza, że ​​stężenie takich komórek jest n0 = 1/λ3 = (mvDM/h)3. Równocześnie stężenie cząstek ciemnej materii o takiej masie jest równe n = ρDM/m. Jeśli cała ciemna materia składa się z cząstek fermionów o takiej masie, to otrzymujemy z zasady wykluczenia Pauliego n0 > nco oznacza

m > (h/vDM)3/4 ρDM1/4.

Po wprowadzeniu liczb otrzymamy około 5 · 10-35 kg, czyli około 30 eV. Jeśli więc cała obserwowalna ciemna materia składa się z tego samego rodzaju fermionów ich masa musi przekraczać 30 eV.

Obliczenia te oznaczają, że ani same neutrina, ani żadne inne fermiony nie mogą łatwiej wnieść się do obserwowalnej ciemnej materii.


Posłowie

Przeprowadzona analiza opiera się na założeniu, że cała ciemna materia składa się z cząstek tego samego rodzaju. Oczywiście, ponieważ nie znamy natury ciemnej materii, to założenie można również usunąć. Wtedy będzie wielu kandydatów lekkich fermionów na cząstki ciemnej materii we Wszechświecie, a każdy z nich ma bardzo mały udział w całkowitej masie. Ale taki obraz dla fizyków wygląda nienaturalnie, ponieważ nie jest jasne, gdzie teoretycznie będzie tyle rodzajów cząstek o mniej więcej takich samych cechach.

Interesujące jest omówienie tego, co się stanie z ultralekkimi cząstkami bozonowymi. Dla nich nie ma już ograniczenia związanego z zasadą Pauliego, dlatego też wiele cząstek można umieścić w pojedynczej komórce kwantowej. Istnieją modele teoretyczne (na przykład na podstawie hipotetycznych cząstek osi), w których masy cząstek są milionowymi częściami elektronowolta. W tym przypadku w każdej komórce może znajdować się makroskopowa liczba cząstek, aż do gigantycznych liczb około 1060. Ciemna materia zamienia się z prostego gazu w kwantowy kondensat Bose wielkości galaktyki, w której gwiazdy, planety latają, a ty i ja. Omówienie tak nietypowej sytuacji można znaleźć na przykład w artykule pod tytułem: 1012.1553.


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: