Dark photon portal dark matter with low-temperature reheating

Al decennia lang weten astronomen dat de zichtbare sterren en sterrenstelsels in ons universum slechts een klein deel vormen van wat er bestaat. De rest is een onzichtbare substantie genaamd donkere materie, die sterrenstelsels bij elkaar houdt door middel van zijn zwaartekracht, maar weigert te interageren met licht. Hoewel we weten dat het er is, hebben we geen idee waar het uit bestaat. Een leidende hypothese suggereert dat donkere materie bestaat uit nieuwe, zware deeltjes die zelden tegen gewone materie botsen. Om uit te leggen hoe deze deeltjes in het vroege universum gevormd zouden kunnen zijn en waarom ze vandaag de dag nog steeds aanwezig zijn, stellen natuurkundigen vaak een verborgen kracht voor die de donkere wereld met de onze verbindt. Deze kracht zou worden gedragen door een deeltje genaamd een donker foton, dat fungeert als een brug waardoor donkere materie af en toe kan communiceren met de deeltjes die wij kunnen zien.

Deze eenvoudige beeldspraak is echter tegen een muur gelopen. Als donkere materie op de standaardmanier zou zijn gevormd, zou de sterkte van de verbinding tussen het donkere foton en de gewone materie precies goed moeten zijn om de hoeveelheid donkere materie te produceren die we vandaag de dag waarnemen. Maar toen wetenschappers dit berekenden, ontdekten ze dat de vereiste verbinding zo sterk was dat deze gemakkelijk opgemerkt had moeten worden door gevoelige detectoren op aarde of door telescopen die naar het kosmos kijken. Omdat niemand het heeft gezien, lijkt de standaardversie van deze theorie te zijn weerlegd. Het universum lijkt zijn donkere materie op een manier te verbergen die het veel moeilijker maakt om te vinden dan de eenvoudigste modellen voorspelden.

Een team van onderzoekers heeft nu een andere geschiedenis voor het vroege universum voorgesteld die dit zwijgen zou kunnen verklaren. Ze suggereren dat het universum niet opwarmde tot de temperaturen die we gewoonlijk aannemen vlak na de oerknal. In plaats daarvan stellen ze zich een periode voor waarin het universum gedurende een langere tijd relatief koel bleef, omdat een zwaar deeltje, bekend als de inflaton, een lange tijd nodig had om te vervallen in de straling die de ruimte vult. Deze vertraging betekende dat het universum bij een veel lagere temperatuur werd opgewarmd dan voorheen werd aangenomen. Deze verandering in de kosmische tijdlijn heeft een diepgaand effect: het verdunt de hoeveelheid donkere materie die overblijft uit de vroege dagen. Omdat er minder donkere materie is om mee te beginnen, kan de verbinding tussen het donkere foton en de gewone materie veel zwakker zijn dan de standaardmodellen vereisen. Een zwakkere verbinding betekent dat de donkere materie veel ongrijpbaarder is, waardoor het de strikte limieten die door huidige experimenten zijn gesteld, kan omzeilen.

De onderzoekers verkenden dit scenario door een gedetailleerd model te bouwen waarin donkere materie alleen met onze wereld interageert via deze brug van het donkere foton. Ze testten drie verschillende soorten donkere materiedeeltjes: complexe scalaire deeltjes, die lijken op eenvoudige punten in de ruimte; Dirac-fermionen, het soort materie waar elektronen en protonen uit bestaan; en Majorana-fermionen, die hun eigen antideeltje zijn. In elk geval simuleerden ze hoe deze deeltjes zich zouden hebben gedragen als het universum bij een lage temperatuur was opgewarmd, specifiek kijkend naar scenario's waarbij de temperatuur slechts enkele miljoenen graden was, ver onder de biljoenen graden die gewoonlijk worden aangenomen.

Hun berekeningen toonden aan dat deze geschiedenis met een lage temperatuur een nieuw venster van mogelijkheden opent. In het standaard scenario met een hoge temperatuur werden de door hen geteste modellen volledig weerlegd door gegevens uit directe detectie-experimenten, die zoeken naar donkere materie die atomen raakt in diepe ondergrondse tanks, en door collider-experimenten, die deeltjes op elkaar laten botsen om te zoeken naar ontbrekende energie. Maar met de heropwarming bij een lage temperatuur wordt de vereiste verbinding tussen donkere materie en gewone materie zo zwak dat deze onder de huidige detectiegrenzen valt. Dit betekent dat de donkere materie precies kan bestaan zoals de theorie voorspelt, maar dat het simpelweg te zwak is geweest om tot nu toe te zien.

De studie vond dat voor de gevallen van complexe scalaire deeltjes en Dirac-fermionen de meest veelbelovende manier om deze verborgen materie in de toekomst te vinden, ligt bij nog gevoeliger experimenten voor directe detectie. Deze toekomstige detectoren zouden potentieel donkere materiedeeltjes kunnen zien met massa's variërend van een fractie van de massa van een proton tot ongeveer tien keer die massa, mits de verbinding met de gewone materie extreem zwak is. Voor het geval van Majorana-fermionen is de situatie anders omdat deze deeltjes niet op dezelfde manier met detectoren interageren. Hier ligt de beste hoop op ontdekking bij toekomstige deeltjescolliders, die de donkere fotonen zouden kunnen opsporen die ontstaan bij botsingen met hoge energie.

Cruciaal is dat de onderzoekers ook bevestigden dat de standaardversie van deze theorie met een hoge temperatuur effectief dood is. Als het universum zou zijn opgewarmd zoals traditioneel gedacht, zou de donkere materie veel sterker met ons moeten interageren, en het feit dat we het niet hebben gezien, betekent dat die specifieke versie van het verhaal onjuist is. Het nieuwe scenario met een lage temperatuur verandert niet alleen de cijfers; het verandert fundamenteel de omstandigheden waaronder de donkere materie werd gevormd, waardoor het kan overleven in een staat die consistent is met alle huidige waarnemingen. Hoewel het artikel vertrouwt op simulaties en theoretische berekeningen in plaats van nieuwe experimentele gegevens, biedt het een duidelijke routekaart voor waar men vervolgens moet zoeken. Het suggereert dat de donkere materie die we zoeken misschien niet verborgen is achter een muur van sterke interacties, maar in een stille, zwak verbonden hoek van de fysica die alleen een koeler, langzamer vroeg universum had kunnen creëren.