Қараңғы заттардың улы жеңіл бөлшектері • Игорь Иванов • «Элементтер» бойынша танымал ғылыми тапсырмалар • Физика

Ультра-қара қараңғы бөлшектердің бөлшектері

Астрофизикалық байқаудан белгілі болғандай, Әлемде тек қарапайым зат (зертханалық эксперименттерде табылған атомдар мен басқа бөлшектер) ғана емес, сондай-ақ қараңғы заттар деп те аталады. Сонымен қатар, Әлемде көп нәрсе бар: оның массасының ғаламдық массасына қосқан үлесі қарапайым заттарға қарағанда бес есе көп. Қараңғы зат өзінің қатысуын жұлдыздар мен галактикаларға гравитациялық әсер ету арқылы және оның қандай бөлшектерден тұратындығын дәлелдейді – әлі күнге дейін анық емес. Қараңғы материяның шамамен тығыздығын бөлу ғана белгілі (күн жүйесіндегі галактикалық маңайда, бұл ρDM = 7·10-22 кг / м3) және типтік бөлшектердің жылдамдығын, vDM– жарықтың жылдамдығының бестен біріне (жоғары жылдамдықта қараңғы материя галактикаларға айналмайды, бірақ Әлемді біртекті толтырады).

Әлемдегі қараңғы заттар біркелкі бөлінбейді. Көрсетілген фактіден қара дақты бөлшектердің қасиеттеріне кейбір шектеулерді шығаруға болады. Сурет www.cfa.harvard.edu

Көптеген эксперименттерде қараңғы материя бөлшектерін тікелей іздестіру жүргізілуде (және біз осындай эксперименттердің сезімталдық мәселесін де ұсындық), бірақ олар табиғатына қатысты соңғы жауап бермейді.Бұл жағдайда физиктер әртүрлі массалармен қараңғы заттар бөлшектерінің түрлі теориялық модельдерін ойлап тауып, зерттейді. Олар сондай-ақ өте ауыр (коллайдерлерде тікелей эксперименталды ашу үшін қол жетімсіз) және «қалыпты» (протон массасының тәртібіне массасы бар) және өте қарапайым, электрондарға ғана емес, сонымен қатар нейтрино (электрондық массасы электронды вольтты фракциялары) үшін оңайырақ. Сонымен қатар, олардың түрінде олар бозондар мен фермиондар болуы мүмкін.

Тікелей эксперименттік мәліметтер болмағанына қарамастан, қара материя бөлшектерінің кейбір қасиеттері тікелей астрофизикалық байқаудан және жоғарыдағы параметрлерден алынады.

Тапсырма

Оны дәлелдеуқараңғы материяның ультра жеңіл бөлшектері фермион болмауы мүмкін. Мысалы, бұл фермиалар, табу олардың массасы бойынша шамамен шектеу.


1-кеңес

Ультрадыбыстық фермиондарға қатысты проблема – бұл олардың көпшілігі үшін Әлемнің қатаңдығы.


2-кеңес

Фермиондар бозондардан ерекшеленеді, себебі олар Паулидің ерекше қағидасына бағынады: екі фермион бір кванттық жағдайда болмайды.Сондықтан, жүйеге қанша фермианы (мысалы, Әлемге) сай келетінін санау үшін фермиондар үшін қанша кванттық клеткалардың бар екенін білуіңіз керек.

Бір ұяшықтың өлшемін табудың қарапайым тәсілі – кванттық механиканың толқынды-бөлшектердің двойственности: импульс бөлігі бар с λ = толқын ұзындығы бар қозғалыс толқынына сәйкес келеді с/смұнда с – Планк тұрақты. Бұл толқын ұзындығы бір кванттық ұяшықтың шамамен өлшемін анықтайды.


Шешім

Қара материяның бөлшектердің массасы үшін м кванттық ұяшық мөлшері шамамен λ = с/мвDM, яғни мұндай клеткалардың шоғырлануы n0 = 1/λ3 = (мвDM/с)3. Сонымен қатар, мұндай массаның қара материя бөлшектерінің концентрациясы тең n = ρDM/м. Егер барлық қараңғы зат мұндай массаның фермионды бөлшектерінен құралған болса, онда біз Паулиден бас тарту принципінен аламыз n0 > nбұл дегеніміз

м > (с/vDM)3/4 ρDM1/4.

Сандарды жаза отырып, шамамен 5 · 10 шамасын аламыз-35 кг, шамамен 30 эВ. Мәселен, барлық байқалатын қараңғы зат бірдей фермиадан тұрады олардың массасы 30 эВ-ден асуы тиіс.

Бұл есепте нейтриндердің өзі де, кез-келген фермийлер де бақыланатын қараңғы заттарға оңай ықпал ете алмайды.


Кейінгі сөз

Өткізілген талдау барлық қараңғы заттардың бірдей түрдегі бөлшектерден тұратындығына негізделген. Әрине, қараңғы заттың табиғатын білмейтіндіктен, бұл болжамды да алып тастауға болады. Сонда Әлемдегі қараңғы материя бөлшектеріне арналған жеңіл фермион үміткерлері көп болады және олардың әрқайсысы жалпы массаға өте аз үлес қосады. Бірақ физиктер үшін мұндай көрініс табиғи емес көрінеді, өйткені теориялық теорияда бірдей сипаттамалары көп немесе аз болатын бөлшектердің көп түрлерінің қайда екендігі түсініксіз.

Бұрынғы бозон бөлшектеріне не болатынын талқылау қызықты. Олар үшін Паули қағидасына қатысты шектеу жоқ, сондықтан көптеген бөліктер бір кванттық клеткада орналастырылуы мүмкін. Теориялық модельдер бар (мысалы, аксиотиктердің гипотетикалық бөлшектерінің негізінде), онда бөлшектердің массасы электрондардың кернеуінің миллионыншы болып табылады. Бұл жағдайда әрбір ұяшықта бөлшектердің макроскопиялық саны болуы мүмкін, шамамен 10-ға жуық сандар60. Қараңғы зат кейін қарапайым газдан кванттық бозе конденсатына айналады, оның ішіндегі жұлдыздар, планеталар ұшып кетеді, ал сіз және мен. Мұндай ерекше жағдайды талқылау үшін, мысалы, мақалада архив: 1012.1553 қараңыз.


Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

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