Das kosmologische Modell geht von der Produktion dunkler Materie während der Inflation vor dem Urknall aus

Während Physiker weiterhin darum kämpfen, den Ursprung der Dunklen Materie zu finden und zu erklären, also den etwa 80 % der Materie im Universum, die wir nicht sehen und bisher nicht entdecken konnten, haben Forscher nun ein Modell vorgeschlagen, das dies nachweisen kann entsteht vor dem Urknall.

Ihre Idee ist, dass dunkle Materie während einer unendlich kurzen Inflationsphase produziert würde, in der sich die Größe des Universums schnell exponentiell vergrößerte. Das neue Modell war veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchung von drei Wissenschaftlern aus Texas in den USA.

Eine faszinierende Idee unter Kosmologen ist, dass dunkle Materie durch die Wechselwirkung mit einem Thermalbad einiger Arten entstanden ist und dass ihre Fülle durch „Ausfrieren“ oder „Einfrieren“ entsteht. Im Freeze-Out-Szenario befindet sich die Dunkle Materie zu den frühesten Zeitpunkten im chemischen Gleichgewicht mit dem Bad – die Konzentration beider Materie ändert sich mit der Zeit nicht.

Im eingefrorenen Bild kommt die Dunkle Materie nie ins Gleichgewicht mit dem Bad. Eine solche unterdrückte Wechselwirkung zwischen Dunkler Materie und dem Thermalbad könnte auf Wechselwirkungen in Quantenfeldtheorien zurückzuführen sein, entweder auf das Einfrieren im Infrarotbereich oder auf das Einfrieren im Ultraviolettbereich.

Beim UV-Einfrieren ist die Temperatur des Thermalbades immer niedriger als die Massen der Teilchen, die Dunkle Materie mit dem Standardmodell der Teilchenphysik verbinden. (Masse und Temperatur sind beide proportional zur Energie und können über Grundkonstanten in Beziehung gesetzt werden.)

Die Inflationstheorie wurde vor etwa 45 Jahren entwickelt und geht von einer Periode exponentiell schneller Expansion im sehr frühen Universum aus, in der sich das Universum in 10–36 Sekunden um den Faktor 1026 ausdehnte. (Nachdem die Inflation aufgehört hatte, expandierte das Universum weiter, wenn auch nicht exponentiell.)

Milliarden Jahre später begann die Beschleunigung der dunklen Energie, die wir heute sehen.) Die Inflationsidee aufgeräumt erklärt Es löst viele Rätsel der Kosmologie auf, etwa das Ebenheitsproblem, das Homogenitätsproblem und das Monopolproblem, und es erklärt den Ursprung der Struktur im Universum als Quantenfluktuationen, die enorm vergrößert wurden.

Obwohl Inflation von Kosmologen größtenteils als Teil des Urknallbildes akzeptiert wird, gehen einige davon aus Beweis (Obwohl es erhebliche Meinungsverschiedenheiten gibt), ist der Inflationstreiber immer noch unbekannt.

Kosmologen bezeichnen es allgemein als Inflaton, ein hypothetisches Feld, das die gesamte Raumzeit eines Skalarteilchens (Spin-Null-Teilchens) umspannt, vielleicht das Higgs-Feld. (Vielleicht auch nicht.) Die Inflation erfolgt so schnell, dass sich das Universum in einer unterkühlten Expansion befindet, bei der die Temperatur um den Faktor 100.000 sinkt.

Diese niedrige Temperatur bleibt während der Inflationsphase bestehen. Wenn die Inflation endet, kehrt die Temperatur auf die Temperatur vor der Inflation zurück, ein Vorgang, der als Wiedererwärmung bezeichnet wird, und das Inflatonfeld zerfällt in die Teilchen des Standardmodells, einschließlich Photonen.

Forschung gezeigt hat dass das Bad viel höhere Temperaturen als die Wiedererwärmungstemperatur erreichen kann und dass beim Einfrieren im ultravioletten Licht die Menge der erzeugten dunklen Materie von der höchsten Temperatur des Thermalbads abhängt.

Die bisherige Forschung hat jedoch nicht die Möglichkeit in Betracht gezogen, dass während der inflationären Expansion ein erheblicher Teil der Dunklen Materie produziert und nicht verwässert werden könnte.

Im WIFI-Modell der Arbeit – Warm Inflation via Ultraviolett Freeze-In – entsteht dunkle Materie durch kleine und seltene Wechselwirkungen mit Partikeln in einer heißen, energiereichen Umgebung. Es enthält einen neuen Mechanismus, bei dem diese Produktion kurz vor dem Urknall während der kosmischen Inflation stattfindet, was dazu führt, dass dunkle Materie viel früher als in bestehenden Theorien durch Einfrieren entsteht.

Obwohl es ungewöhnlich klingt, glauben viele Kosmologen heute, dass die Inflation vor dem Urknall stattgefunden hat, da die Existenz einer Urknall-Singularität mit unendlicher Dichte und unendlicher Raumzeitkrümmung unrealistisch erscheint.

Stattdessen hätte das Universum nach der Inflation eine kleine Größe, etwa 10 bis 26 Meter im Durchmesser, und von dort aus würden die Standardschritte der Strahlungs- und Teilchenproduktion ablaufen, dann würde die Nukleosynthese stattfinden, um das Universum zu bevölkern.

Die Theoretiker schlugen durch ein Einfrieren eine andere Perspektive auf die Rolle der Inflation bei der Rolle der Dunklen Materie vor.

„Das Einzigartige an unserem Modell ist, dass dunkle Materie während der Inflation erfolgreich produziert wird“, sagte Katherine Freese, Direktorin des Weinberg Institute of Theoretical Physics und des Texas Center for Cosmology and Astroparticle Physics an der University of Texas in Austin und Hauptautorin des Papiers. „In den meisten Fällen [other] Modellen zufolge wird alles, was während der Inflation entsteht, durch die exponentielle Expansion des Universums „weggeblasen“, bis zu dem Punkt, an dem im Wesentlichen nichts mehr übrig ist.“

In diesem neuen Mechanismus könnte die gesamte dunkle Materie, die wir heute beobachten, während dieser kurzen Inflationsperiode vor dem Urknall entstanden sein. Das die Inflation antreibende Quantenfeld, das Inflaton, verliert einen Teil seiner Energie an Strahlung, und diese Strahlung erzeugt wiederum über den Einfriermechanismus Teilchen der Dunklen Materie. Was war vor der Inflation? Physiker haben keine Ahnung.

Das WIFI-Modell kann noch nicht durch Beobachtungen bestätigt werden. Aber ein wichtiger Teil des Szenarios, die warme Inflation, wird im nächsten Jahrzehnt durch die sogenannten kosmischen Mikrowellen-Hintergrundexperimente auf die Probe gestellt. Die Bestätigung der Warminflation wäre ein wichtiger Schritt für das Szenario der Produktion dunkler Materie im WIFI-Modell.

„In unserer Studie haben wir uns auf die Produktion dunkler Materie konzentriert, aber WIFI schlägt eine breitere Anwendbarkeit vor“, sagte Barmak Shams Es Haghi, Co-Autor des Artikels zusammen mit Gabriele Montefalcone, „wie etwa die Produktion anderer Teilchen, die das könnten.“ spielen eine entscheidende Rolle in der Entwicklung des frühen Universums. Dies zeigt neue Möglichkeiten für die Erforschung in der zukünftigen Forschung auf.

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