宇宙学模型提出大爆炸前膨胀期间产生暗物质

Josiah02

物理学家们不断努力寻找和解释暗物质的起源。暗物质占宇宙中大约 80% 的物质是我们无法看见且至今无法探测到的。现在，研究人员提出了一种暗物质在大爆炸之前产生的模型。
他们的想法是，暗物质会在宇宙尺寸迅速呈指数级膨胀的无限短暂的膨胀阶段产生。来自美国德克萨斯州的三位科学家在《物理评论快报》上发表了这一新模型。
宇宙学家中一个有趣的想法是，暗物质是通过与某些物种的热浴相互作用而产生的，其丰度是通过“冻结”或“冻结”产生的。在冻结情景中，暗物质在最早的时间与热浴处于化学平衡状态——两者的浓度都不会随时间而变化。
在冻结图中，暗物质永远不会与热浴达到平衡。暗物质与热浴之间这种被抑制的相互作用可能是由于量子场论中的相互作用，无论是红外冻结还是紫外冻结。
在紫外线冻结中，热浴的温度始终低于将暗物质与粒子物理标准模型联系起来的粒子质量。（质量和温度都与能量成正比，可以通过基本常数相互关联。）
膨胀理论是在大约 45 年前发展起来的，它提出，在极早期的宇宙中，有一个指数级的快速膨胀时期，宇宙在 10 -36秒内膨胀了约 10 26倍。（膨胀停止后，宇宙继续膨胀，但不是指数级的。）
数十亿年后，暗能量开始了我们今天所看到的加速。）膨胀理论整齐地解释了很多宇宙学难题，比如平坦性问题、同质性问题和单极子问题，并且解释了宇宙结构的起源是被极大放大的量子涨落。
尽管宇宙学家们根据一些证据（尽管也存在有意义的异议）大多认为膨胀是大爆炸图景的一部分，但膨胀的驱动因素仍然未知。
宇宙学家将其统称为暴胀子，这是一种假设的场，它覆盖了某个标量（自旋为零）粒子（可能是希格斯场）的整个时空。（也可能不是。）暴胀发生得如此之快，以至于宇宙处于过冷膨胀状态，温度下降了大约 100,000 倍。
这种低温会持续整个膨胀阶段。当膨胀结束时，温度会回到膨胀前的温度，这一过程称为再加热，而膨胀场会衰减为标准模型的粒子，包括光子。
研究表明，热浴可以达到比再加热温度高得多的温度，并且对于紫外线冻结，产生的暗物质的量取决于热浴的最高温度。
但迄今为止的研究还没有考虑到在膨胀过程中产生大量暗物质并且不会被稀释的可能性。
在该论文的 WIFI 模型（通过紫外线冻结形成的暖膨胀）中，暗物质是通过与热能量环境中的粒子进行微小且罕见的相互作用而产生的。它包含一种新机制，即这种产生发生在宇宙大爆炸之前，即宇宙膨胀期间，这导致暗物质的形成时间比现有理论中通过冻结形成的暗物质要早得多。
虽然这听起来很不寻常，但现在许多宇宙学家认为膨胀发生在大爆炸之前，因为具有无限密度和无限时空曲率的大爆炸奇点的存在似乎是不现实的。
相反，宇宙在膨胀之后会变得很小，直径大约为 10 -26米，从那里开始发生辐射和粒子产生的标准步骤，然后发生核合成并填充宇宙。
理论家们从不同的角度提出了膨胀在暗物质通过冻结过程中所起的作用。
“我们模型的独特之处在于，暗物质在膨胀过程中成功产生，”德克萨斯大学奥斯汀分校温伯格理论物理研究所和德克萨斯宇宙学和天体粒子物理中心主任、论文主要作者凯瑟琳·弗里斯说。“在大多数[其他]模型中，膨胀过程中产生的任何东西都会随着宇宙的指数膨胀而‘膨胀’，直到基本上什么都不剩。”
根据这一新机制，我们今天观察到的所有暗物质都可能在宇宙大爆炸前那段短暂的膨胀时期产生。推动膨胀的量子场，即暴胀子，会将部分能量损失为辐射，而这种辐射又会通过冻结机制产生暗物质粒子。膨胀之前是什么？物理学家对此一无所知。
WIFI 模型目前还不能通过观测得到证实。但该场景的一个关键部分——暖膨胀，将在未来十年通过所谓的宇宙微波背景实验进行测试。证实暖膨胀对于 WIFI 模型的暗物质产生场景来说将是重要的一步。
“在我们的研究中，我们专注于暗物质的产生，但 WIFI 表明了更广泛的适用性，”与 Gabriele Montefalcone 共同撰写论文的 Barmak Shams Es Haghi 说道，“例如其他粒子的产生可能在早期宇宙的演化中发挥关键作用。这为未​​来的研究带来了新的探索机会。”