Kandidat Materi Gelap dan Model Partikel

Banyak teori mengusulkan apa materi gelap itu, mulai dari partikel masif berinteraksi lemah hingga aksion ultraringan, masing-masing menyiratkan cara yang berbeda untuk menemukannya.

Definition

Kandidat materi gelap adalah partikel atau objek yang dihipotesiskan yang dapat membentuk materi gelap non-barionik, yang dicirikan oleh massa, kekuatan interaksi, dan mekanisme kosmologis yang menghasilkan kelimpahan relik yang diamati.

Scope

Topik ini mencakup kandidat partikel utama untuk materi gelap, termasuk partikel masif berinteraksi lemah, aksion, neutrino steril, dan lubang hitam primordial, mekanisme produksi yang menetapkan kelimpahan reliknya seperti pembekuan termal, dan kerangka kerja teoretis seperti supersimetri yang memotivasinya.

Core questions

• Jenis partikel apa yang dapat membentuk materi gelap?
• Bagaimana setiap kandidat memperoleh kelimpahan kosmik yang tepat?
• Mengapa WIMP dan aksion dianggap sangat termotivasi?

Key concepts

• WIMP
• Axion
• Neutrino steril
• Lubang hitam primordial
• Pembekuan termal
• Kelimpahan relik
• Supersimetri

Key theories

WIMP relik termal

Partikel masif berinteraksi lemah dalam kesetimbangan termal di alam semesta awal membeku dengan kelimpahan relik yang secara alami mendekati kerapatan materi gelap yang diamati, sebuah kebetulan yang dikenal sebagai keajaiban WIMP.

Aksion dan kandidat ringan

Boson ultraringan seperti aksion, yang awalnya diusulkan untuk memecahkan masalah dalam fisika partikel, dapat diproduksi secara non-termal di alam semesta awal dan berperilaku sebagai materi gelap dingin, menawarkan alternatif untuk WIMP.

Mechanisms

Kandidat termal tetap dalam kesetimbangan sampai laju anihilasi mereka turun di bawah laju ekspansi dan mereka membeku, menetapkan kerapatan relik berdasarkan penampang lintangnya; kandidat non-termal seperti aksion dihasilkan oleh osilasi medan, sementara sifat dingin dan lambat dari kandidat yang layak diperlukan untuk mencocokkan pembentukan struktur.

Clinical relevance

Lanskap kandidat memandu strategi eksperimental: massa dan kekuatan interaksi yang diasumsikan menentukan apakah materi gelap paling baik dicari di detektor bawah tanah, dengan teleskop yang memburu produk anihilasi, di rongga perburuan aksion, atau di kolider, sehingga teori dan program pencarian terkait erat.

History

Setelah bukti dinamis matang, tahun 1980-an melihat materi gelap dingin menjadi paradigma standar, dengan WIMP supersimetri dan aksion muncul sebagai kandidat utama; dekade pencarian nihil sejak itu telah memperluas perhatian ke neutrino steril, lubang hitam primordial, dan partikel yang lebih ringan atau berinteraksi lebih lemah.

Debates

Status paradigma WIMP

Tidak adanya deteksi WIMP meskipun eksperimen semakin sensitif telah memicu perdebatan tentang apakah WIMP tetap menjadi kandidat yang paling mungkin atau apakah perhatian harus beralih ke aksion, partikel yang lebih ringan, atau skenario yang sama sekali berbeda.

Key figures

• Gianfranco Bertone
• Dan Hooper
• Joseph Silk
• Helen Quinn
• Roberto Peccei

Seminal works

• bertone2005

Frequently asked questions

Apa itu keajaiban WIMP?

Ini adalah pengamatan bahwa partikel stabil dengan massa dan interaksi skala lemah, yang membeku dari kesetimbangan termal di alam semesta awal, secara alami akan berakhir dengan sekitar kerapatan materi gelap yang diamati, menjadikan WIMP kandidat yang menarik secara teoritis.

Bisakah materi gelap berupa lubang hitam?

Lubang hitam primordial yang terbentuk di alam semesta awal adalah kandidat yang mungkin, tetapi batasan observasional dari pelensaan, dinamika, dan latar belakang gelombang mikro kosmik membatasinya pada jendela massa yang sempit, sehingga mereka paling banyak hanya sebagian kecil dari materi gelap di sebagian besar rentang.