ตัวเลือกสสารมืดและแบบจำลองอนุภาค

หลายทฤษฎีเสนอว่าสสารมืดอาจเป็นอะไรได้บ้าง ตั้งแต่อนุภาคขนาดใหญ่ที่มีอันตรกิริยาอย่างอ่อนไปจนถึงแอกเซียนมวลเบาพิเศษ ซึ่งแต่ละทฤษฎีบ่งชี้ถึงวิธีการค้นพบที่แตกต่างกัน

Definition

ตัวเลือกสสารมืดคืออนุภาคหรือวัตถุที่ตั้งสมมติฐานว่าอาจประกอบขึ้นเป็นสสารมืดที่ไม่ใช่แบริออนิก โดยมีลักษณะเฉพาะตามมวล ความแรงของอันตรกิริยา และกลไกทางจักรวาลวิทยาที่ผลิตปริมาณที่เหลืออยู่ซึ่งสังเกตได้

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงอนุภาคที่เป็นตัวเลือกหลักสำหรับสสารมืด ได้แก่ อนุภาคขนาดใหญ่ที่มีอันตรกิริยาอย่างอ่อน (WIMPs), แอกเซียน, นิวตริโนปลอดเชื้อ, และหลุมดำยุคแรกเริ่ม กลไกการผลิตที่กำหนดปริมาณที่เหลืออยู่ เช่น การแข็งตัวจากความร้อน และกรอบทฤษฎีที่สนับสนุน เช่น สภาพสมมาตรยิ่งยวด

Core questions

• อนุภาคชนิดใดบ้างที่สามารถประกอบขึ้นเป็นสสารมืดได้?
• ตัวเลือกแต่ละชนิดมีปริมาณในจักรวาลที่เหมาะสมได้อย่างไร?
• เหตุใด WIMPs และแอกเซียนจึงได้รับการพิจารณาว่ามีแรงจูงใจเป็นพิเศษ?

Key concepts

• WIMP
• แอกเซียน
• นิวตริโนปลอดเชื้อ
• หลุมดำยุคแรกเริ่ม
• การแข็งตัวจากความร้อน
• ปริมาณที่เหลืออยู่
• สภาพสมมาตรยิ่งยวด

Key theories

WIMPs ที่เหลืออยู่จากความร้อน

อนุภาคขนาดใหญ่ที่มีอันตรกิริยาอย่างอ่อนที่อยู่ในสมดุลความร้อนในจักรวาลยุคแรกเริ่มจะแข็งตัวออกไปโดยมีปริมาณที่เหลืออยู่ใกล้เคียงกับความหนาแน่นของสสารมืดที่สังเกตได้ ซึ่งเป็นความบังเอิญที่เรียกว่าปาฏิหาริย์ WIMP

แอกเซียนและตัวเลือกมวลเบา

โบซอนมวลเบาพิเศษ เช่น แอกเซียน ซึ่งเดิมเสนอเพื่อแก้ปัญหาในฟิสิกส์อนุภาค สามารถถูกผลิตขึ้นโดยไม่ใช้ความร้อนในจักรวาลยุคแรกเริ่มและมีพฤติกรรมเป็นสสารมืดเย็น ซึ่งเป็นทางเลือกแทน WIMPs

Mechanisms

ตัวเลือกที่เกิดจากความร้อนจะอยู่ในสมดุลจนกระทั่งอัตราการทำลายล้างลดลงต่ำกว่าอัตราการขยายตัวและเกิดการแข็งตัว ทำให้ความหนาแน่นที่เหลืออยู่คงที่โดยภาคตัดขวางของพวกมัน ส่วนตัวเลือกที่ไม่เกิดจากความร้อน เช่น แอกเซียน จะถูกผลิตโดยการแกว่งของสนาม ในขณะที่ลักษณะที่เย็นและช้าของตัวเลือกที่เป็นไปได้นั้นจำเป็นเพื่อให้สอดคล้องกับการก่อตัวของโครงสร้าง

Clinical relevance

ภูมิทัศน์ของตัวเลือกชี้นำกลยุทธ์การทดลอง: มวลและความแรงของอันตรกิริยาที่สมมติขึ้นจะกำหนดว่าสสารมืดควรถูกค้นหาได้ดีที่สุดในเครื่องตรวจจับใต้ดิน ด้วยกล้องโทรทรรศน์ที่ตามล่าผลิตภัณฑ์จากการทำลายล้าง ในโพรงที่ตามล่าแอกเซียน หรือที่เครื่องเร่งอนุภาค ดังนั้นทฤษฎีและโปรแกรมการค้นหาจึงเชื่อมโยงกันอย่างใกล้ชิด

History

หลังจากหลักฐานเชิงพลวัตมีความชัดเจนขึ้น ในทศวรรษ 1980 สสารมืดเย็นได้กลายเป็นกระบวนทัศน์มาตรฐาน โดยมี WIMPs ที่มีสภาพสมมาตรยิ่งยวดและแอกเซียนเป็นตัวเลือกชั้นนำ ทศวรรษของการค้นหาที่ไม่พบสิ่งใดได้ขยายความสนใจไปยังนิวตริโนปลอดเชื้อ หลุมดำยุคแรกเริ่ม และอนุภาคที่เบากว่าหรือมีอันตรกิริยาที่อ่อนกว่า

Debates

สถานะของกระบวนทัศน์ WIMP

การไม่พบ WIMP แม้จะมีการทดลองที่ละเอียดอ่อนขึ้นเรื่อยๆ ได้กระตุ้นให้เกิดการถกเถียงว่า WIMP ยังคงเป็นตัวเลือกที่มีแนวโน้มมากที่สุดหรือไม่ หรือควรเปลี่ยนความสนใจไปที่แอกเซียน อนุภาคที่เบากว่า หรือสถานการณ์ที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง

Key figures

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

Seminal works

• bertone2005

Frequently asked questions

ปาฏิหาริย์ WIMP คืออะไร?

เป็นการสังเกตว่าอนุภาคที่เสถียรซึ่งมีมวลและอันตรกิริยาในระดับอ่อนโดยประมาณ ซึ่งแข็งตัวออกจากสมดุลความร้อนในจักรวาลยุคแรกเริ่ม จะมีปริมาณความหนาแน่นของสสารมืดที่สังเกตได้โดยธรรมชาติ ทำให้ WIMPs เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจในทางทฤษฎี

สสารมืดอาจเป็นหลุมดำได้หรือไม่?

หลุมดำยุคแรกเริ่มที่ก่อตัวขึ้นในจักรวาลยุคแรกเริ่มเป็นตัวเลือกที่เป็นไปได้ แต่ข้อจำกัดจากการสังเกตการณ์จากการเลนส์แรงโน้มถ่วง พลวัต และพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลจำกัดพวกมันให้อยู่ในช่องมวลที่แคบ ดังนั้นพวกมันจึงสามารถเป็นได้เพียงเศษส่วนของสสารมืดในย่านส่วนใหญ่เท่านั้น