В связи с многолетними безуспешными попытками обнаружения частиц темной материи, некоторые физики начали подвергать сомнению саму возможность ее существования в виде таких частиц. Тем не менее, одна из теорий получила новый импульс: стало очевидно, что ранее установленные ограничения на существование гипотетических темных фотонов могли быть необоснованно жесткими.

Темная материя (ТМ) остается одной из самых сложных задач современной физики. Существование ТМ подтверждается гравитационным воздействием на галактики, которое предотвращает их распад, удерживая звезды вместе. Однако природа этой темной материи до сих пор неизвестна, и ученые изучают различные потенциальные компоненты, включая гипотетические частицы.

Среди наиболее вероятных кандидатов выделяются вимпы (WIMP) и аксионы. В течение последнего десятилетия физики все чаще выражают критику в отношении обеих этих концепций: вимпы – это массивные частицы, слабо взаимодействующие с обычной материей, а аксионы обладают крайне низкой массой. Альтернативным вариантом является темные фотоны. Они имеют сходство с обычными фотонами, но принадлежат к так называемому темному сектору — области физики, выходящей за рамки Стандартной модели.

После того, как физики столкнулись с трудностями при расчете взаимодействия темных фотонов с веществом, гипотеза об их существовании была практически отброшена. показали, поскольку предполагалось, что эти частицы должны вызывать заметный нагрев вещества в ранней Вселенной. В то время космос представлял собой горячую плазму – смесь свободных электронов и ионов. Согласно предыдущим моделям, на определенном этапе частота колебаний этой плазмы могла оказаться равной массе темного фотона. Этот феномен известен как резонанс: при совпадении частот энергия особенно эффективно переходит от одного колебания к другому. В результате темные фотоны должны были бы передать плазме значительную часть своей энергии, что привело бы к ее нагреву.

Подобный нагрев не мог пройти незамеченным, поскольку он должен был отразиться на наблюдаемой Вселенной, в частности, повлиять на характеристики реликтового излучения. Однако отсутствие подобных изменений побудило ученых предположить, что темные фотоны не способны передавать плазме значительное количество энергии, поставив под сомнение их существование.

Авторы недавнего исследования решили вновь обратиться к этому вопросу и переоценить существующие ограничения. Чтобы выяснить, будет ли плазма продолжать поглощать энергию темных фотонов после наступления резонанса, физики провели детальное компьютерное моделирование, в котором отдельно отслеживалось поведение электронов и ионов. Такой подход оказался критически важным, поскольку предыдущие расчеты рассматривали плазму как упрощенную, линейную систему: предполагалось, что передача энергии будет непрерывной.

Однако реальная физика плазмы оказалась более сложной. На начальном этапе темные фотоны действительно передавали энергию электронам, вызывая в плазме специфические колебания — ленгмюровские волны. По мере увеличения их энергетического уровня в системе возникали дополнительные колебания, включая ионно-акустические волны, которые вызывали незначительные флуктуации плотности плазмы в различных областях пространства.

Эти колебания приводили к неоднородности плазмы, что препятствовало быстрому возникновению резонанса. Эффективность передачи энергии от темных фотонов к плазме снижалась – фактически, плазма оказывала сопротивление этому процессу.

В результате было установлено, что первоначальные ограничения на темные фотоны оказались значительно менее строгими, чем предполагалось ранее. В зависимости от массы частицы сила ее взаимодействия с обычным веществом может превышать прежние оценки в диапазоне от 3000 до 10 миллионов раз. Это означает, что параметры, которые ранее рассматривались как практически невозможные, вновь подлежат рассмотрению.

Результаты научной работы, опубликованные в журнале Physical Review Letters, не служат доказательством существования темных фотонов или их роли в составе темной материи. Тем не менее, физики продемонстрировали, что один из основных космологических аргументов, опровергающих эту гипотезу, оказался недостаточно обоснованным. В связи с этим, поиск гипотетических частиц темной материи, в частности, темных фотонов, вновь становится актуальной задачей.