Dark photon portal dark matter with low-temperature reheating
Questo articolo dimostra che uno scenario di riscaldamento post-inflazione a bassa temperatura, che diluisce la densità di reliquia della materia oscura attraverso un decadimento ritardato dell'inflatone, permette alla materia oscura mediata da fotoni oscuri di eludere gli attuali vincoli multi-sperimentali richiedendo un parametro di miscelazione cinetica significativamente più piccolo in modelli di scalari complessi, fermioni di Dirac e fermioni di Majorana.
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Da decenni, gli astronomi sanno che le stelle e le galassie visibili nel nostro universo sono solo una piccola frazione di ciò che esiste. Il resto è una sostanza invisibile chiamata materia oscura, che tiene insieme le galassie attraverso la sua gravità ma rifiuta di interagire con la luce. Sebbene sappiamo che è presente, non abbiamo idea di cosa sia fatta. Un'idea principale suggerisce che la materia oscura sia composta da nuove, pesanti particelle che raramente si scontrano con la materia ordinaria. Per spiegare come queste particelle possano essersi formate nell'universo primordiale e perché siano ancora in circolazione oggi, i fisici immaginano spesso una forza nascosta che connette il mondo oscuro al nostro. Questa forza sarebbe trasportata da una particella chiamata fotone oscuro, che agisce come un ponte che permette alla materia oscura di comunicare occasionalmente con le particelle che noi possiamo vedere.
Tuttavia, questo semplice quadro si è scontrato con un muro. Se la materia oscura si fosse formata nel modo standard, la forza della connessione tra il fotone oscuro e la materia ordinaria avrebbe dovuto essere proprio quella giusta per produrre la quantità di materia oscura che osserviamo oggi. Ma quando gli scienziati hanno calcolato questo, hanno scoperto che la connessione richiesta era così forte che avrebbe dovuto essere facilmente individuata da sensibili rilevatori sulla Terra o da telescopi che osservano il cosmo. Poiché nessuno ha visto nulla, la versione standard di questa teoria sembra essere esclusa. L'universo sembra nascondere la sua materia oscura in un modo che la rende molto più difficile da trovare rispetto a quanto previsto dai modelli più semplici.
Un gruppo di ricercatori ha proposto un diverso passato per l'universo primordiale che potrebbe spiegare questo silenzio. Suggeriscono che l'universo non si sia riscaldato alle temperature che assumiamo comunemente subito dopo il Big Bang. Invece, immaginano un periodo in cui l'universo è rimasto relativamente freddo per un tempo più lungo perché una particella pesante, nota come inflatone, ha impiegato molto tempo per decadere nella radiazione che riempie lo spazio. Questo ritardo ha significato che l'universo si è riscaldato nuovamente a una temperatura molto più bassa di quanto precedentemente ipotizzato. Questo cambiamento nella cronologia cosmica ha un effetto profondo: diluisce la quantità di materia oscura rimasta dai primi giorni. Poiché c'è meno materia oscura fin dall'inizio, la connessione tra il fotone oscuro e la materia ordinaria può essere molto più debole di quanto richiedano i modelli standard. Una connessione più debole rende la materia oscura molto più elusiva, permettendole di scivolare via dai rigidi limiti stabiliti dagli attuali esperimenti.
I ricercatori hanno esplorato questo scenario costruendo un modello dettagliato in cui la materia oscura interagisce con il nostro mondo solo attraverso questo ponte del fotone oscuro. Hanno testato tre diversi tipi di particelle di materia oscura: particelle scalari complesse, che sono come semplici punti nello spazio; fermioni di Dirac, che sono il tipo di materia che compone elettroni e protoni; e fermioni di Majorana, che sono le proprie antiparticelle. In ogni caso, hanno simulato come queste particelle avrebbero potuto comportarsi se l'universo si fosse riscaldato a una bassa temperatura, guardando specificamente a scenari in cui la temperatura era di appena pochi milioni di gradi, molto al di sotto dei trilioni di gradi solitamente assunti.
I loro calcoli hanno dimostrato che questa storia a bassa temperatura apre una nuova finestra di possibilità. Nello scenario standard ad alta temperatura, i modelli che hanno testato erano completamente esclusi dai dati degli esperimenti di rilevamento diretto, che cercano la materia oscura che colpisce gli atomi in serbatoi sotterranei profondi, e dagli esperimenti di collisionatore, che fanno scontrare particelle per cercare l'energia mancante. Ma con il riscaldamento a bassa temperatura, la connessione richiesta tra la materia oscura e la materia ordinaria diventa così debole da cadere al di sotto dei limiti di rilevamento attuali. Ciò significa che la materia oscura potrebbe esistere esattamente come prevede la teoria, ma è stata semplicemente troppo fioca per essere vista finora.
Lo studio ha scoperto che per i casi delle particelle scalari complesse e dei fermioni di Dirac, il modo più promettente per trovare questa materia nascosta in futuro è attraverso esperimenti di rilevamento diretto ancora più sensibili. Questi futuri rilevatori potrebbero potenzialmente vedere particelle di materia oscura con masse che vanno da una minuscola frazione della massa di un protone fino a circa dieci volte tale massa, a condizione che la connessione con la materia ordinaria sia estremamente debole. Per il caso dei fermioni di Majorana, la situazione è diversa perché queste particelle non interagiscono con i rilevatori nello stesso modo. Qui, la migliore speranza di scoperta risiede nei futuri collisionatori di particelle, che potrebbero cercare i fotoni oscuri prodotti in collisioni ad alta energia.
Fondamentalmente, i ricercatori hanno anche confermato che la versione standard ad alta temperatura di questa teoria è effettivamente morta. Se l'universo si fosse riscaldato come tradizionalmente pensato, la materia oscura avrebbe dovuto interagire con noi molto più fortemente, e il fatto che non l'abbiamo vista significa che quella specifica versione della storia è errata. Il nuovo scenario a bassa temperatura non si limita a modificare i numeri; cambia fondamentalmente le condizioni in cui si è formata la materia oscura, permettendole di sopravvivere in uno stato che è coerente con tutte le attuali osservazioni. Sebbene il documento si basi su simulazioni e calcoli teorici piuttosto che su nuovi dati sperimentali, fornisce una chiara tabella di marcia su dove guardare successivamente. Suggerisce che la materia oscura che stiamo cercando potrebbe non nascondersi dietro un muro di forti interazioni, ma piuttosto in un angolo tranquillo e debolmente connesso della fisica che solo un universo primordiale più freddo e lento avrebbe potuto creare.
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