Physiker haben eine Theorie zum Ursprung der Dunklen Materie aus Fermi-Kugeln vorgeschlagen
Physiker haben eine Theorie zum Ursprung der Dunklen Materie aus Fermi-Kugeln vorgeschlagen
Anonim

Nach der neuen Theorie, die von südkoreanischen theoretischen Physikern vorgeschlagen wurde, wurde Dunkle Materie aus Fermi-Kugeln geboren, Quanten-"Taschen" subatomarer Teilchen, die zu Beginn des Universums in dichten "Taschen" verpackt waren. Diese Theorie behauptet, die Tatsache zu erklären, warum dunkle Materie im Universum gegenüber gewöhnlicher, sichtbarer Materie zu dominieren begann.

Theoretische Physiker des Center for Theoretical Physics der Seoul National University in Südkorea haben vorgeschlagen, dass die mysteriöse und schwer fassbare Dunkle Materie aus sogenannten Fermi-Kugeln bestehen könnte, die vom Urknall übrig geblieben sind. Sie veröffentlichten ihren Artikel auf der elektronischen Preprint-Site arXiv.org.

Fermi-Kugeln sind hypothetische kosmologische Objekte, die aufgrund spontaner Symmetriebrechung und des anschließenden Phasenübergangs unter den Bedingungen des frühesten Universums erscheinen könnten. Sie sollten nicht mit Fermi-Blasen verwechselt werden, riesigen Strukturen in der Milchstraße, die nach dem Fermi-Gammastrahlen-Teleskop benannt sind und durch die Aktivität des zentralen supermassereichen Schwarzen Lochs entstanden sind.

Dunkle Materie ist eine mysteriöse Substanz, die nur durch die Schwerkraft mit gewöhnlicher Materie und nicht mit Licht interagiert. Es wurden einmal Hypothesen aufgestellt, wonach Dunkle Materie aus winzigen Schwarzen Löchern bestehen könnte, die das Universum durchdringen, aber numerische Schätzungen schlossen eine solche Möglichkeit aus: Die Anzahl solcher Schwarzer Löcher sowie Schwarzer Löcher mit stellarer Masse beträgt zu klein, um das "Budget des Universums" zu konvergieren, das aus verschiedenen experimentellen Daten bekannt ist (vom Planck-Weltraumobservatorium, aus Beobachtungen von Supernovae usw.): Es sollte nur 5% der gewöhnlichen (baryonischen) Materie, 27% der dunklen Materie und 68% der dunklen Energie. In der gesamten Geschichte des Universums haben sich nicht so viele Sterne gebildet, dass sie nach ihrem Tod eine ausreichende Anzahl von Schwarzen Löchern hervorgebracht hätten, deren Masse die gesamte verfügbare Menge an Dunkler Materie erklären würde. Derzeit gilt die Theorie der kalten Dunklen Materie als Standard, und die wahrscheinlichsten Kandidaten für die Rolle ihrer Bestandteile sind die noch unentdeckten WIMPs - schwach wechselwirkende massive Teilchen.

Nach der neuen Theorie könnten die gesuchten Schwarzen Löcher einst aus Fermi-Kugeln oder Quanten-"Taschen" subatomarer Teilchen - Fermionen - entstanden sein, die sich bei der Entstehung des Universums in dichten "Taschen" vermischt haben. Diese Theorie behauptet, die Tatsache zu erklären, warum dunkle Materie im Universum gegenüber gewöhnlicher, sichtbarer Materie zu dominieren begann.

„Wir haben festgestellt, dass die Fermi-Kugeln in einigen Fällen so eng gepackt sein können, dass die Fermionen in ihnen zu nah beieinander liegen, dies führt dazu, dass die Fermi-Kugel zusammenbricht und sich in ein Schwarzes Loch verwandelt“, sagt ein Forscher des Zentrums für Theoretische Physik an der Seoul National Ke-Pan Se University im Interview mit Live Science.

Xie und sein Kollege Kiyoharu Kavanagh vom selben Zentrum für Theoretische Physik entwickelten ein Szenario, das erklärt, wie dunkle Materie begann, den Weltraum zu dominieren. Zu einer Zeit, als das Universum weniger als eine Sekunde lang war, fanden darin unglaubliche Transformationen physikalischer Gesetze statt. Die Teilchen fielen in Fallen und verbanden sich zu so kompakten Strukturen, dass sie nur kollabieren und sich in Schwarze Löcher verwandeln konnten. Dann füllten diese Schwarzen Löcher das gesamte Universum und lieferten das gleiche „Budget“, das durch experimentelle Methoden festgelegt wurde – die klare Dominanz zweier anderer, noch nicht nachweisbarer Komponenten über gewöhnlicher baryonischer Materie.

Schwarze Löcher emittieren wie dunkle Materie kein Licht, daher können sie im Prinzip zu einer Quelle verborgener Masse werden. „Da Schwarze Löcher nicht leuchtende und kompakte Objekte sind, sollten ihre Kandidaten für dunkle Materie auf natürlichste Weise berücksichtigt werden“, sagt Xie.

Die extremen Bedingungen, die im frühesten Universum existierten, ermöglichen Veränderungen in physikalischen Prozessen, die unter den normalen Bedingungen des modernen Weltraums bereits unmöglich sind. Der erste Bestandteil der neuen Theorie ist ein skalares Feld, wie das Higgs-Feld, das den gesamten Raum durchdringt und den Teilchen ihre Masse verleiht. Als sich das Universum ausdehnte und abkühlte, durchlief dieses Skalarfeld einen Phasenübergang und ging in einen anderen quantenmechanischen Zustand über. Dieser Phasenübergang wirkte sich nicht gleichzeitig auf das gesamte Universum aus. Zunächst traten nur einzelne Bereiche auf, in denen der Übergang bereits begonnen hatte, und dann breitete sich alles weiter aus, ähnlich wie Wasser in einem Topf kocht und immer größere Blasen bildet. „Diesen Vorgang nennt man Phasenübergang erster Ordnung: Wasser geht von einer flüssigen Phase in einen gasförmigen Zustand über, aber zunächst erscheint das Gas nur in Form von wachsenden Blasen“, erklärt Ce.

Der neue Zustand des Skalarfeldes, der nun zum Grundzustand wird, breitet sich von diesen Punkten aus wie ein Strom kochender Blasen aus. Schließlich verschmelzen die Blasen vollständig miteinander und das Skalarfeld vollendet seinen Phasenübergang.

Um jedoch urzeitliche Schwarze Löcher zu erzeugen, bei denen es sich um dunkle Materie handelt, benötigten Xie und Kavanagh eine weitere Zutat. Sie fügten ihrem Modell eine neue Art von Fermion hinzu. Fermionen sind Teilchen mit halbzahligem Spin, zu denen Elektronen, Protonen und Neutronen gehören, aus denen alle gewöhnlichen Atome bestehen.

Im sehr frühen Universum bewegten sich diese Fermionen frei in einem Skalarfeld, konnten aber während des oben beschriebenen Phasenübergangs nicht in die kleinen schäumenden "Blasen" des neuen Grundzustands des Kosmos eindringen. Als die Blasen wuchsen, sammelten sich die Fermionen in den verbleibenden Taschen an und wurden zu Fermi-Kugeln. Zwischen diesen Fermionen wirkte jedoch eine zusätzliche Kraft, die als Yukawa-Wechselwirkung bekannt ist und durch das gleiche Skalarfeld verursacht wird, das von südkoreanischen Theoretikern in ihrer Arbeit vorgeschlagen wurde. Fermionen vermeiden es normalerweise, in denselben Quantenzustand und in kleine Volumina zu fallen, aber das Skalarfeld fügte ihnen die Wechselwirkungskraft hinzu, die diese natürliche Abstoßung unterdrückte. Nehmen wir an, Protonen und Neutronen bestehen aus noch kleineren Teilchen, den Quarks. Quarks sind auch Fermionen, die es vermeiden, in denselben Zustand zu fallen, aber die zusätzliche Kernkraft (starke Wechselwirkung) hält sie zusammen. Ein Analogon einer solchen Kraft ist die Yukawa-Wechselwirkung, die im Se- und Kavanagh-Modell wirkt.

Nach der südkoreanischen Theorie war nach Abschluss des Phasenübergangs das Schicksal der Fermi-Kugeln besiegelt. In kleine "Taschen" des sich schnell verändernden Universums gequetscht, kollabierten die Fermionenbündel katastrophal und bildeten eine riesige Anzahl winziger Schwarzer Löcher. Diese Schwarzen Löcher überlebten das Ende des Phasenübergangs und füllten das Universum in Form von Dunkler Materie.

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