Учёные пересмотрели представления о том, как тёмные фотоны могли влиять на раннюю Вселенную. Исследование показало, что эти гипотетические частицы, вероятно, не нагревали плазму так, как предполагалось ранее. Результаты могут расширить область поиска тёмной материи — невидимого вещества, на которое, согласно современным оценкам, приходится около 85% массы Вселенной.
Работу провела междисциплинарная группа под руководством профессора Ансона Хука из Мэрилендского центра фундаментальной физики. В исследовании также участвовали старший научный сотрудник Института теоретической физики Периметра (Perimeter Institute) Джунву Хуан и специалист по плазменной физике Мохамад Шалаби. Их выводы опубликованы в журнале Physical Review Letters, о них сообщил Институт Периметра.
Ранее физики исходили из того, что тёмные фотоны постепенно превращались в обычное электромагнитное излучение внутри облаков нейтрального водорода, существовавших на раннем этапе развития Вселенной. Предполагалось, что этот процесс должен был нагреть вещество и оставить наблюдаемые следы. Поэтому значительные диапазоны возможных параметров тёмных фотонов исключили из космологических моделей.
Исследователи провели компьютерное моделирование и пришли к выводу, что линейное описание процесса было неполным. После попадания энергии тёмных фотонов в плазму система становилась резко нелинейной, а возникающие эффекты быстро прекращали дальнейшее преобразование энергии. В результате нагрев, необходимый для прежних ограничений, не успевал произойти.
«Последние 15 лет использовался линейный подход. С его помощью можно рассчитать объём переданной энергии, и он оказывается очень большим. Но я понял, что это невозможно. Когда энергия преобразуется в плазму Стандартной модели, плазма фактически выходит из-под контроля. В системе возникает множество нелинейных эффектов, которые прекращают передачу энергии после преобразования лишь небольшого её количества», — пояснил Хуан.
Согласно анализу группы, традиционное космологическое ограничение для тёмных фотонов может быть недействительным примерно на десяти порядках величины — для частот от 10⁻¹⁵ до 10⁻⁶ электронвольта. Этот диапазон приблизительно соответствует участкам радиоспектра от килогерцевых до гигагерцевых частот. Учёные считают, что уточнённый расчёт поведения плазмы ранней Вселенной позволит искать тёмные фотоны и другие гипотетические частицы в ранее не рассматривавшихся областях.