однако встречаться такие объекты должны сравнительно редко.
А вот обычная, барионная материя повсеместно образует объекты с гораздо более сложной структурой — начиная от спиральных галактик и заканчивая звездами и планетами. Это обусловлено тем, что барионы теряют часть своей энергии благодаря электромагнитному взаимодействию и глубоко «проваливаются» в гравитационный потенциал. А даже в моделях темной материи с взаимодействием частицы не способны терять энергию, а могут только перераспределять ее. Если бы это было не так, форма гало, окружающих галактики, сильно бы исказилась, и астрономы бы это увидели.
Механизм охлаждения барионной материи хорошо работает только в определенном диапазоне масс коллапсирующих объектов. При увеличении массы объекта растет его гравитационная энергия, а следовательно, увеличивается энергия частиц, входящих в его состав. Из-за этого они становятся менее чувствительны к потерям энергии на электромагнитное излучение, и коллапс осложняется. В результате образование сложных структур происходит только для объектов с массой не больше 1012 масс Солнца, а на бо́льших масштабах скопление галактик представляет собой сферически симметричное облако с вложенными в него галактиками.
Физики Мэттью Бакли (Matthew Buckley) и Энтони ДиФранцо (Anthony DiFranzo) использовали эту лазейку, чтобы заставить темную материю терять энергию и формировать сложные структуры, но оставаться однородной на больших масштабах. Для этого они предложили простую модель, в которой частицы темной материи оказываются заряжены гипотетическим темным электромагнитным взаимодействием.
Ученые рассчитали, какую максимальную массу могут иметь сложные объекты из темной материи. По оценкам физиков в окружающем Млечный Путь гало могут содержаться образования из темной материи с массой, сравнимой со сверхмассивными звездами или карликовыми галактиками. Но не более двух процентов от суммарной массы гало.
Они не первыми предложили использовать темный электромагнетизм в качестве механизма охлаждения, который приводит к формированию сложных объектов из темной материи. Но они первыми показали, что такой механизм эффективен только при определенных значениях массы коллапсирующей темной материи.
nplus1, 5 февраля 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/02/05/dark-collapse
Статья опубликована в Physical Review Letters
Мэттью Бакли (Matthew Buckley) и Энтони ДиФранцо (Anthony DiFranzo) из университета Ратгерса
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.051102
Глава 11-15-4
Механизм Хиггса поможет объяснить существование темной материи
Март 2018
Физики-теоретики из Испании и Швейцарии показали, что форма потенциала Хиггса может быть ответственна не только за распад ложного вакуума (который может привести к исчезновению привычной для нас Вселенной), но и за образование темной материи на ранних этапах жизни Вселенной. Если бы темной материи не было, звезды не смогли бы собраться в галактики, и Вселенная имела бы совершенно другую структуру. Интересно, что предложенный учеными способ возникновения темной материи не требует физики вне Стандартной модели. Статья опубликована в Physical Review Letters.
Частицы Стандартной модели приобретают массу благодаря механизму Хиггса — спонтанному нарушению электрослабой симметрии, которое происходит из-за особенной формы потенциала Хиггса. Грубо говоря, в квантовой теории поля частицы представляют собой колебания полей (например, фотоны — это колебания электромагнитного поля), энергию которых нужно отсчитывать от определенного минимума. Такое минимальное энергетическое состояние называют вакуумом. Для большинства полей Стандартной модели вакуум отвечает нулевому полю, то есть отсутствию частиц (потенциал вида «ямка»). Но минимум потенциала Хиггса лежит не в нуле, а в области энергий порядка ста гигаэлектронвольт — в результате все пространство оказывается пронизано полем Хиггса, которое имеет почти постоянную напряженность и затрудняет ускорение обычных частиц, придавая им массу. Бозон Хиггса, который отвечает колебаниям поля Хиггса около минимального состояния, тоже оказывается массивным, поскольку поле взаимодействует само с собой.
Однако, несмотря на то, что потенциал Хиггса имеет минимум при энергиях около ста гигаэлектронвольт, этот минимум не глобальный. При больших энергиях потенциал снова загибается вниз, и в нем образуется еще одна ямка, глубина которой больше, чем глубина ямки, в которой мы живем. Из-за этого наш вакуум «ложный» — рано или поздно поле Хиггса свалится в по-настоящему минимальное состояние, и его колебания нужно будет отсчитывать от истинного вакуума. Поскольку поле не может изменить свое состояние одновременно во всем пространстве, физически такой переход будет выглядеть как образование и последующее расширение пузырей истинного вакуума в ложном. Этот процесс называют распадом ложного вакуума. Очевидно, что в ходе распада ложного вакуума выделится огромная энергия, которая возьмется из разницы высот между ямками и привычная Вселенная перестанет существовать. Но из-за большой высоты барьера, разделяющего ямки, вероятность этого процесса очень мала, и характерное время жизни ложного вакуума превышает текущий возраст Вселенной. Говорят, что ложный вакуум метастабилен.
Однако во время инфляции — периода, когда размеры Вселенной увеличились в огромное число раз за считанные доли секунды, это могло быть не так. Если эффективная масса поля Хиггса (грубо говоря, масса бозона Хиггса) окажется сравнима со скоростью ее расширения, которая задается параметром Хаббла, то квантовые флуктуации будут выдергивать поле из метастабильного состояния. В результате будут возникать пузыри истинного вакуума, которые станут расширяться со скоростью света и вскоре заполнят весь объем Вселенной. Но мы до сих пор продолжаем жить в ложном вакууме, даже спустя 13 миллиардов лет после инфляции.
В новой статье физики-теоретики Хосе Эспиноса (José Espinosa), Давиде Ракко (Davide Racco), и Антонио Риотто (Antonio Riotto) показали, что поле Хиггса может «откатиться» обратно в метастабильное состояние в результате последовавшего после инфляции разогревания Вселенной (reheating). При этом временное образование пузырей истинного вакуума не будет сказываться на спектре реликтового излучения, поскольку они будут иметь заметный размер только на поздних этапах инфляции — это объясняет, почему астрономы не заметили этот процесс. Более того, предложенный учеными механизм позволяет объяснить возникновение темной материи.
Для начала ученые показали, что быстрое расширение действительно может «выдернуть» поле Хиггса из ложного вакуума и пространство заполняется пузырьками истинного вакуума. Одновременно в нем возникают колебания поля относительно нового вакуума, которые разрастаются со временем. Правда, значительного размера эти структуры достигают только к концу инфляции, когда они уже успели покинуть радиус Хаббла, а значит, увидеть их мы не сможем.
Когда инфляция заканчивается, вакуумная энергия инфлатонного поля переходит в тепловые релятивистские степени свободы — Вселенная заполняется частицами Стандартной модели, а ее температура существенно увеличивается. Из-за этого потенциал Хиггса получает температурные поправки, которыми нельзя пренебречь. Более того, если температура оказывается больше эффективной массы поля, оно «откатывается» обратно в метастабильное состояние. Поскольку теперь Вселенная расширяется гораздо медленнее, полю приходится преодолевать барьер «по-честному», и вероятность его перехода в истинный вакуум уменьшается на много
