Zarah ultra terang bahan gelap • Igor Ivanov • Tugas sains popular mengenai "Unsur" • Fizik

Ultralight Dark Matter Particles

Ia diketahui dari pemerhatian astrofizikal bahawa di alam semesta tidak hanya masalah biasa (atom dan zarah lain yang ditemui dalam eksperimen laboratorium), tetapi juga disebut perkara gelap. Selain itu, terdapat banyak di Universe: sumbangan kumulatifnya kepada jisim Alam Semesta adalah lima kali ganda daripada perkara biasa. Bahan gelap memberikan kehadirannya secara tidak langsung, melalui kesan gravitasi pada bintang dan galaksi, dan dari partikel yang terdiri dari – masih belum jelas. Hanya sebaran ketumpatan anggaran bahan gelap yang diketahui (dalam kawasan kejiranan galaksi sistem suria, ia adalah ρDM = 7·10-22 kg / m3) dan halaju zarah tipikal, vDM– kira-kira seperseribu dari kelajuan cahaya (pada kelajuan gelap gelap tidak akan mengelilingi galaksi, tetapi secara seragam akan mengisi Universe).

Perkara gelap di Universe diagihkan secara tidak seragam. Ternyata mungkin untuk menyimpulkan dari fakta ini beberapa halangan pada sifat zarah materi gelap. Imej dari www.cfa.harvard.edu

Dalam banyak eksperimen, pencarian langsung zarah-zarah materi gelap sedang dijalankan (dan kita juga mencadangkan masalah sensitiviti eksperimen tersebut), tetapi mereka masih tidak memberikan sebarang jawapan akhir tentang sifat mereka.Dalam keadaan ini, ahli fizik mencipta dan mengkaji pelbagai model teori zarah gelap yang mempunyai massa yang sangat berbeza. Mereka juga sangat berat (tidak boleh diakses untuk penemuan eksperimen langsung pada collider), dan "normal" (dengan jisim pada urutan jisim proton), dan ultralight, lebih mudah bukan sahaja untuk elektron, tetapi juga untuk neutrinos (jisimnya adalah pecahan voltan elektron). Di samping itu, dalam jenis mereka, mereka boleh menjadi boson dan fermion.

Ternyata, walaupun kekurangan data percubaan langsung, beberapa sifat zarah materi gelap boleh diperolehi secara langsung dari pemerhatian astrofisikal dan parameter di atas.

Tugas

Buktikannyabahawa zarah-zarah ultra terang yang gelap tidak boleh menjadi fermion. Dengan menganggap bahawa ini adalah fermions, cari had anggaran pada jisim mereka di bawah.


Petua 1

Masalah dengan fermions ultralight adalah bahawa Universe ketat untuk terlalu banyak daripada mereka.


Petua 2

Fermions berbeza dari boson kerana mereka mematuhi prinsip pengecualian Pauli: dua fermion tidak boleh berada dalam keadaan kuantum yang sama.Oleh itu, untuk mengira berapa banyak fermion akan masuk ke dalam sistem (contohnya, ke dalam Alam Semesta), anda perlu tahu berapa banyak sel kuantum yang ada untuk fermions.

Cara mudah untuk mencari saiz satu sel adalah menggunakan duality gelombang-partikel mekanik kuantum: zarah dengan momentum p sepadan dengan gelombang perjalanan dengan panjang gelombang λ = h/pdi mana h – Pemalar Planck. Panjang gelombang ini menentukan saiz anggaran sel kuantum tunggal.


Penyelesaian

Untuk jisim zarah gelap m saiz sel kuantum adalah lebih kurang λ = h/mvDM, yang bermaksud bahawa kepekatan sel tersebut adalah n0 = 1/λ3 = (mvDM/h)3. Pada masa yang sama, kepekatan bahan zarah gelap jisim seperti itu sama dengan n = ρDM/m. Jika semua benda gelap terdiri daripada zarah-zarah fermion jisim seperti itu, maka dari prinsip pengecualian Pauli yang kita dapat n0 > nyang bermaksud

m > (h/vDM)3/4 ρDM1/4.

Menggantikan nombor, kami mendapat kira-kira 5 · 10-35 kg, iaitu kira-kira 30 eV. Jadi, jika semua perkara gelap yang boleh dilihat terdiri daripada fermions yang sama, maka jisim mereka mesti melebihi 30 eV.

Pengiraan ini bermakna bahawa neutrino tidak sendiri, atau sebarang fermion lain boleh dengan mudah menyumbang kepada perkara gelap yang dapat dilihat.


Selepas perkataan

Analisis yang dijalankan adalah berdasarkan kepada andaian bahawa semua benda gelap terdiri daripada zarah-zarah yang sama. Sudah tentu, kerana kita tidak tahu sifat gelap, asumsi ini juga boleh dihapuskan. Kemudian akan ada banyak kandidat kandidat ringan untuk zarah materi gelap di Alam Semesta, dan masing-masing memberikan sumbangan yang sangat kecil kepada jumlah jisim. Tetapi gambaran sedemikian untuk ahli fizik kelihatan tidak semulajadi, kerana tidak jelas di mana secara teori terdapat begitu banyak jenis zarah dengan lebih kurang ciri yang sama.

Ia menarik untuk membincangkan apa yang akan berlaku untuk zarah boson ultralight. Bagi mereka, tidak ada sekatan yang berkaitan dengan prinsip Pauli, oleh itu, kerana banyak zarah boleh diletakkan dalam satu sel kuantum tunggal. Terdapat model teori (contohnya, berasaskan zarah hipotesis dari paksi) di mana massa zarah adalah sejuta voltan elektron. Dalam kes ini, dalam setiap sel terdapat nombor makroskopik zarah, sehingga nombor gergasi sekitar 1060. Matlamat gelap kemudian bertukar dari gas mudah ke dalam kondensat kuantum Bose ukuran galaksi, di dalamnya bintang, planet terbang, dan anda dan saya. Untuk perbincangan mengenai situasi yang tidak biasa ini, lihat, sebagai contoh, dalam artikel arXiv: 1012.1553.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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