Tamni fotoni, hipotetske čestice koje bi mogle činiti tamnu tvar, godinama su bili snažno ograničeni mjerenjima ranog svemira. Novo istraživanje pokazuje da su se ti zaključci oslanjali na previše pojednostavljen opis plazme i da se velik dio dosad isključenog područja ponovno može eksperimentalno istraživati.
Tamna tvar čini najveći dio materije u svemiru, ali njezina stvarna priroda i dalje je nepoznata. Jedan od mogućih kandidata su tamni fotoni, hipotetske čestice slične fotonima, ali s masom i vrlo slabom vezom s običnom materijom. Takva veza omogućila bi im da se pod određenim uvjetima pretvaraju u obične fotone, što fizičarima pruža način da ih pokušaju otkriti.
Problem je što su kozmološki izračuni tijekom posljednjih petnaestak godina velik dio mogućih svojstava tamnih fotona već proglasili nedopuštenima.
Prema dosadašnjim modelima, tamni fotoni u ranom svemiru trebali su predavati dio svoje energije plazmi i pritom je zagrijavati.
Takvo zagrijavanje ostavilo bi trag u kasnijim kozmološkim opažanjima. Budući da takvi tragovi nisu pronađeni, zaključeno je da tamni fotoni u širokom rasponu masa i jačina međudjelovanja ne mogu činiti tamnu tvar.
Rad Ansona Hooka sa Sveučilišta Maryland te Junwua Huanga i Mohamada Shalabyja s Perimeter instituta za teorijsku fiziku dovodi upravo taj zaključak u pitanje. Njihova analiza, objavljena 13. kolovoza u časopisu Physical Review Letters, pokazuje da se plazma ranog svemira ne ponaša dovoljno jednostavno da bi prethodni linearni izračuni bili valjani.
Zašto su tamni fotoni bili gotovo isključeni
Obični foton nema masu i prenosi elektromagnetsku silu. Tamni foton u teorijskim modelima pripada takozvanom tamnom sektoru, skupu mogućih čestica i sila koje vrlo slabo međudjeluju s poznatom materijom. Ključna je mogućnost takozvanog kinetičkog miješanja, zahvaljujući kojem tamni foton može vrlo slabo djelovati s elektromagnetskim poljem.
U ranom svemiru obična materija nije bila organizirana u atome kao danas. Velik dio nje nalazio se u stanju plazme, smjesi slobodnih elektrona i iona. Takva plazma ima vlastitu karakterističnu frekvenciju titranja. Kada bi ona odgovarala masi, odnosno frekvenciji tamnog fotona, moglo je doći do rezonantnog prijenosa energije.
Dosadašnji modeli tretirali su taj proces približno linearno. Kako se uvjeti u svemiru mijenjaju, tamni fotoni prolaze kroz rezonanciju i dio njihove energije prelazi u običnu plazmu. Izračuni su predviđali dovoljno snažno zagrijavanje da bi ono utjecalo na kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje, ionizaciju plina ili temperaturu međugalaktičke materije. Izostanak takvih učinaka pretvoren je u vrlo stroga ograničenja za tamne fotone.
Nova analiza pokazuje da problem nastaje upravo u trenutku kada prijenos energije postane dovoljno snažan da bi ga bilo moguće kozmološki ograničiti.
Plazma sama prekida prijenos energije
Istraživači su kombinirali analitičke izračune s računalnim simulacijama tipa particle-in-cell, metodom kojom se istodobno prati ponašanje velikog broja nabijenih čestica i elektromagnetskih polja u plazmi.
Kada tamni fotoni počnu predavati energiju plazmi, u njoj nastaju Langmuirovi valovi, odnosno kolektivna titranja elektrona. Linearni model pretpostavlja da se taj prijenos može nastaviti relativno uredno. Simulacije pokazuju drukčiji razvoj događaja.
Čim energija tih valova postane usporediva s početnom toplinskom energijom elektrona, pojavljuju se snažni nelinearni učinci. Pobude se šire na druge valne duljine, nastaju ionski akustični valovi, a gustoća plazme postaje prostorno neujednačena. Time se mijenja i njezina lokalna rezonantna frekvencija. Sustav više nije precizno podešen na tamni foton i daljnji prijenos energije naglo slabi.
Drugim riječima, proces koji je trebao nastaviti zagrijavati svemir sam sebi remeti uvjete potrebne za nastavak rezonancije.
Autori su u simulacijama utvrdili da se tipično prenese energija usporediva s početnom toplinskom energijom elektrona. Čak i u ekstremnijim slučajevima prijenos ostaje daleko ispod razine potrebne da bi proizveo kozmološke posljedice na kojima su se temeljila prijašnja ograničenja.
Velik dio dosad isključenog područja ponovno je otvoren
Posljedice su velike za eksperimentalnu potragu. Prema radu, ograničenja koja proizlaze iz rezonantnog pretvaranja tamnih fotona postaju slabija najmanje oko 3.000 puta, a u pojedinim dijelovima prostora parametara i do deset milijuna puta. Učinak obuhvaća približno deset redova veličine mase tamnog fotona, od oko 10⁻¹⁴ do 10⁻⁴ elektronvolta.
To ne znači da su tamni fotoni pronađeni niti da je dokazano da čine tamnu tvar. Nestaje jedan važan skup kozmoloških ograničenja koji ih je dosad isključivao. Drugi laboratorijski, astrofizički i kozmološki testovi i dalje vrijede, a postoje i slabija ograničenja povezana s procesima koji nisu rezonantni.
Za eksperimente koji izravno traže ultralaku tamnu tvar razlika je ipak vrlo konkretna. Područja mase i jačine međudjelovanja koja su se prije mogla zanemariti jer se smatralo da ih je kozmologija već isključila sada ponovno postaju legitimne mete.
Kozmos.hr je ranije pisao o modelima u kojima bi ultralaki tamni fotoni mogli činiti tamnu tvar, uključujući ideju da njihova pretvorba može zagrijavati međugalaktički plin. Nedavno smo pisali i o drukčijem mehanizmu koji tamne fotone vraća među moguće kandidate za tamnu tvar.
Problem možda nije ograničen na rani svemir
Rad ima širu posljedicu od samih tamnih fotona. Rezonantne pretvorbe hipotetskih čestica često se proučavaju i u vrlo gustim astrofizičkim plazmama, primjerice u okruženju neutronskih zvijezda i bijelih patuljaka. Ako se ondje koriste slične linearne aproksimacije, nelinearna fizika plazme mogla bi promijeniti i neke od tih procjena.
Autori svoj rezultat predstavljaju kao upozorenje da jednostavniji izračun nije uvijek dovoljan kada se velika količina energije prenosi u plazmu. Sustav može promijeniti vlastita svojstva toliko brzo da početne pretpostavke prestanu vrijediti.
To je ujedno i najvažnija posljedica rada za potragu za tamnom tvari. Novi rezultat nije detekcija nove čestice. Pokazuje da smo možda prerano odbacili velik dio prostora u kojem bi se ona mogla skrivati.
