宇宙暗物質(zhì)的候選者，軸子和暗光子是揭開(kāi)新物理學(xué)“暗物質(zhì)”神秘面紗兩種最有希望的粒子類型，軸子標(biāo)量場(chǎng)解釋了中子沒(méi)有電偶極矩的原因，而暗光子類似于產(chǎn)生電磁的規(guī)則光子，但它的質(zhì)量和耦合程度要弱得多。

在過(guò)去，許多研究早期宇宙動(dòng)力學(xué)的宇宙學(xué)家提出了專注于軸子或暗光子的理論。另一方面，探索早期宇宙中這兩種粒子之間相互作用的研究仍然很少?？紤]到這一點(diǎn)，馬里蘭大學(xué)和約翰霍普金斯大學(xué)科學(xué)家進(jìn)行了一項(xiàng)研究：

旨在研究早期宇宙中軸子和暗光子之間的相互作用，其研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上，研究了一系列軸子與背景場(chǎng)中大質(zhì)量暗光子能否相互作用。開(kāi)展這項(xiàng)研究的研究人員之一古斯塔沃·馬奎斯-塔瓦雷斯說(shuō)：雖然有大量關(guān)于這兩種粒子中，只有一種粒子理論的宇宙學(xué)演化文獻(xiàn)，但我們有興趣了解這兩種粒子在早期宇宙中的相互作用如何會(huì)導(dǎo)致新特征，并最終發(fā)現(xiàn)與它們混合相互作用相關(guān)非常有趣的行為。

研究觀察到的新效應(yīng)，與其他更普遍被認(rèn)為的混合類型截然不同。首先，研究人員著手發(fā)展一個(gè)物理假說(shuō)，為了做到這一點(diǎn)，他們解決了通常適用于復(fù)雜分析問(wèn)題特定方程的簡(jiǎn)化版本。研究使用了兩種數(shù)學(xué)技術(shù)，即WKB近似和絕熱近似，以獲得研究所關(guān)注問(wèn)題的一系列可能解決方案。然后確定的近似解與精確數(shù)值解進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)兩者匹配得相當(dāng)好。總體而言，研究人員認(rèn)為，大質(zhì)量玻色場(chǎng)之間的單一導(dǎo)數(shù)混合，可能會(huì)促使場(chǎng)動(dòng)力學(xué)發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化。

軸子和暗光子之間相互作用

更具體地說(shuō)，它可以推遲經(jīng)典振蕩的開(kāi)始，減少甚至消除哈勃常數(shù)產(chǎn)生的影響，哈勃常數(shù)是宇宙膨脹的速度。研究人員通過(guò)一些例子進(jìn)一步描述了研究的現(xiàn)象，這些例子突出了軸子和暗光子之間相互作用的可能性。在許多方面，光標(biāo)量場(chǎng)和矢量場(chǎng)的行為更像經(jīng)典場(chǎng)，而不是量子粒子的宇宙演化。研究發(fā)現(xiàn)，與不包括暗光子混合的理論相比，研究方法大大增強(qiáng)了軸子的振幅。

由于場(chǎng)中存儲(chǔ)的能量密度隨著振幅增加而增長(zhǎng)，這導(dǎo)致軸子的最終能量密度更大，使其能夠解釋宇宙中的所有暗物質(zhì)。研究人員引入了一些計(jì)算，這些計(jì)算突出了軸子和暗光子之間的一階導(dǎo)數(shù)混合影響，而不是更典型的質(zhì)量混合或動(dòng)力學(xué)混合。其研究結(jié)果也為未來(lái)的研究指明了新方向，旨在更好地理解粒子之間一階導(dǎo)數(shù)混合的影響，特別是在早期宇宙中。

在研究團(tuán)隊(duì)的下一項(xiàng)研究中，研究人員計(jì)劃更密切地研究暗光子，因?yàn)樗鼈兒苋菀子^察，因此已經(jīng)成為廣受歡迎的暗物質(zhì)候選者。在早期宇宙中，暗光子的產(chǎn)生問(wèn)題是出了名的棘手，因此，對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，解釋所有的暗物質(zhì)都具有挑戰(zhàn)性。增加軸子數(shù)量的相同機(jī)制，也可以用來(lái)增加暗光子的數(shù)量，讓它們成為暗物質(zhì)候選者，研究下一步計(jì)劃探索所提出適用于暗光子的新機(jī)制。

博科園｜研究/來(lái)自：馬里蘭大學(xué)/約翰霍普金斯大學(xué)

Copyright?Science X Network/Ingrid Fadelli/Phys

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.211801

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普

關(guān)注【博科園】看更多大美宇宙科學(xué)