Тёмные фотоны снова в игре — и всё из-за ошибки в расчётах, которую физики пронесли через полтора десятилетия. Исследователи из Perimeter Institute в канадском Ватерлоо и Университета Мэриленда показали: прежние модели ранней Вселенной содержали изъян, из-за которого огромные диапазоны параметров этих гипотетических частиц были ошибочно вычеркнуты. Теперь их снова можно искать экспериментально.

Ошибка, которая закрыла целое направление

Тёмная материя остаётся одной из главных загадок физики. Она формирует структуру галактик своей гравитацией, но до сих пор ускользает от прямого обнаружения. Среди кандидатов на её роль особенно выделялись тёмные фотоны — гипотетические частицы, которые, как считалось, должны были превращаться в обычный свет в горячей плазме заряженных частиц, заполнявшей космос сразу после Большого взрыва.

Этот процесс, по расчётам, должен был сильно разогреть газ и оставить заметные следы. Но астрономы никогда не видели такого нагрева. Вывод казался однозначным: тёмные фотоны в широком диапазоне масс просто не существуют. Так из учебников и обзоров исчезли целые области параметров.

Новая работа, опубликованная в Physical Review Letters, утверждает: тот вывод покоился на чистом вычислительном упрощении. Авторы — Джунву Хуан и Мохамад Шалаби из Perimeter Institute, а также Энсон Хук из Мэрилендского университета — говорят о недопустимой линейной аппроксимации, которая исказила картину.

Плазма «играет безумно»

Чтобы проверить, что происходило на самом деле, физики обратились к particle-in-cell симуляциям. В таких моделях поведение отдельных частиц рассчитывается в электромагнитной сетке, что позволяет воспроизводить процессы раннего космоса с высокой детализацией.

Результат оказался неожиданным. Энергия тёмных фотонов не вливалась в плазму равномерно и предсказуемо, как предполагала линейная теория. «Мы поняли, что плазма на самом деле ведёт себя безумно, пока вы превращаете энергию в плазму Стандартной модели», — приводит слова Хуана портал Phys.org. Речь о плазме из обычных, известных нам частиц.

Как только крошечная доля энергии переходит от тёмных фотонов в горячий газ, немедленно возникают электростатические колебания — ленгмюровские волны. Одновременно образуются звуковые волны, переносимые более тяжёлыми ионами плазмы. Локальная плотность газа меняется резко и очень сильно.

Эти бурные нелинейные реакции разрушают резонансный эффект почти мгновенно. Превращение тёмных фотонов обрывается в тот самый момент, когда начинается. Плазма сама блокирует поглощение энергии задолго до того, как космос успевает заметно нагреться.

Сто миллионов раз слабее — и это было ошибкой

Последствия для науки трудно переоценить. Старые вычисления объявили тёмные фотоны несуществующими в больших диапазонах масс. «Эти исключения говорили, что сила тёмной материи должна была быть в 100 миллионов раз слабее, чем она может быть на самом деле», — цитирует Хука исследование.

Теперь охота за невидимыми строительными блоками Вселенной может возобновиться именно в тех массовых спектрах, которые физики долго считали безнадёжными. Тёмная материя оказалась запертой в шарах размером с арбуз — это лишь одна из гипотез, но теперь у тёмных фотонов появился второй шанс.

Впрочем, открытие ставит и методологический вопрос. Линейные приближения в космологии, как выясняется, часто искажают реальность. Исследователям придётся пересчитать и другие астрофизические системы — например, магнитные поля нейтронных звёзд — с помощью гораздо более сложных нелинейных моделей, чтобы избежать дорогостоящих ошибок.

Спрятаны ли в снова открытых областях параметров настоящие тёмные фотоны, покажут только будущие эксперименты.