Кандидаты в частицы темной материи и модели частиц

Многие теории предполагают, чем может быть темная материя, от слабо взаимодействующих массивных частиц до ультралегких аксионов, каждая из которых подразумевает свой способ ее обнаружения.

Definition

Кандидаты в частицы темной материи — это гипотетические частицы или объекты, которые могли бы составлять небарионовую темную материю, характеризующиеся их массой, силой взаимодействия и космологическим механизмом, который производит наблюдаемое реликтовое обилие.

Scope

Эта тема охватывает ведущие частицы-кандидаты на роль темной материи, включая слабо взаимодействующие массивные частицы, аксионы, стерильные нейтрино и первичные черные дыры, механизмы их образования, определяющие их реликтовое обилие, такие как термическое вымораживание, а также теоретические основы, такие как суперсимметрия, которые их мотивируют.

Core questions

• Какие частицы могут составлять темную материю?
• Как каждый кандидат приобретает правильное космическое обилие?
• Почему WIMP и аксионы считаются особенно хорошо обоснованными?

Key concepts

• WIMP
• Аксион
• Стерильное нейтрино
• Первичная черная дыра
• Термическое вымораживание
• Реликтовое обилие
• Суперсимметрия

Key theories

Термические реликтовые WIMP

Слабо взаимодействующая массивная частица, находящаяся в термическом равновесии в ранней Вселенной, вымораживается с реликтовым обилием, естественным образом близким к наблюдаемой плотности темной материи, что является совпадением, известным как чудо WIMP.

Аксионы и легкие кандидаты

Ультралегкие бозоны, такие как аксион, первоначально предложенные для решения проблемы в физике элементарных частиц, могут быть нетермически произведены в ранней Вселенной и вести себя как холодная темная материя, предлагая альтернативу WIMP.

Mechanisms

Термические кандидаты остаются в равновесии до тех пор, пока скорость их аннигиляции не упадет ниже скорости расширения, и они не выморозятся, фиксируя реликтовое обилие своей площадью поперечного сечения; нетермические кандидаты, такие как аксионы, образуются в результате осцилляций поля, в то время как холодная, медленная природа жизнеспособных кандидатов требуется для соответствия формированию структуры.

Clinical relevance

Ландшафт кандидатов определяет экспериментальную стратегию: предполагаемая масса и сила взаимодействия определяют, где лучше всего искать темную материю — в подземных детекторах, с помощью телескопов, ищущих продукты аннигиляции, в полостях, охотящихся за аксионами, или на коллайдерах, поэтому теория и программы поиска тесно связаны.

History

После того как динамические доказательства созрели, в 1980-х годах холодная темная материя стала стандартной парадигмой, а суперсимметричные WIMP и аксион стали ведущими кандидатами; десятилетия безуспешных поисков с тех пор расширили внимание к стерильным нейтрино, первичным черным дырам и более легким или более слабо взаимодействующим частицам.

Debates

Статус парадигмы WIMP

Отсутствие обнаружений WIMP, несмотря на все более чувствительные эксперименты, вызвало дебаты о том, остается ли WIMP наиболее вероятным кандидатом или следует переключить внимание на аксионы, более легкие частицы или совершенно другие сценарии.

Key figures

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

Seminal works

• bertone2005

Frequently asked questions

Что такое чудо WIMP?

Это наблюдение, что стабильная частица с массой и взаимодействиями примерно слабого масштаба, вымороженная из теплового равновесия в ранней Вселенной, естественным образом имела бы примерно наблюдаемую плотность темной материи, что делает WIMP теоретически привлекательным кандидатом.

Может ли темная материя быть черными дырами?

Первичные черные дыры, образовавшиеся в ранней Вселенной, являются возможным кандидатом, но наблюдательные ограничения от гравитационного линзирования, динамики и космического микроволнового фона ограничивают их узкими массовыми окнами, поэтому они могут составлять лишь часть темной материи в большинстве диапазонов.