O (maleńkiej) produkcji ciemnej materii w supernowych

Uważa się, że ciemna materia składa się z cząstek, które oddziałują z nią jedynie słabo i grawitacyjnie. Jednym z powszechnych kandydatów na ciemną materię są tak zwane WIMP . Szczególnie WIMP są ciężkie i mogą być ich własnymi antycząstkami.

Podobnie jak inne cząstki, cząstki ciemnej materii mogą być wytwarzane przy wystarczająco wysokich energiach. Masa cząstek ciemnej materii jest nieznana, ale szacuje się, że jest rzędu - , co odpowiada temperaturom - , przy której można oczekiwać, że cząstki te zostaną wytworzone. $1$ $100 \textrm{GeV}$ $T_{DM}\approx 10^{13}$ $10^{15}\textrm{K}$

Tak ogromne temperatury są ledwo osiągalne w jakichkolwiek rozsądnych procesach astrofizycznych, ale powiedzmy, że w nowo rdzeniu supernowe mają temperatury i prawdopodobnie więcej podczas zawalenia faza. Zatem przybliżone oszacowanie sugerowałoby, że ilość wytworzonej ciemnej materii wynosi . Lub w postaci liczbowej . Oznacza to, że przy ilość ciemnej materii wytworzonej podczas supernowej wyniesie około jednego kilograma. Takie temperatury są dość osiągalne dla $T_{SN,after}\approx 10^{11}\textrm{K}$ $M_{DM}\approx e^{-T_{DM}/T_{SN,max}}M_\odot$ $\log_{10}(M_{DM}/\textrm{kg})=30.3-0.43(T_{DM}/T_{SN})$ $T_{SN}=1.4\cdot 10^{-2}T_{DM}$ $1 \textrm{GeV}$ Cząsteczki DM. Można więc optymistycznie spodziewać się kilku kilogramów ciemnej materii wyprodukowanej na supernową.

Teraz pytanie. Jaka jest typowa produkcja ciemnej materii w supernowych zapadających się jąder? Myślę, że dobrą odpowiedzią byłoby bardziej solidne rozwinięcie istniejących szacunków. Wszelkie konstruktywne komentarze są mile widziane.

dark-matter high-energy-astrophysics

— Alexey Bobrick
źródło

Odpowiedzi:

Najbardziej ulubionymi obecnie WIMPS są prawdopodobnie neutralne kasyna, patrz http://en.wikipedia.org/wiki/Neutralino

Cząstki te są w tej chwili czysto hipotetyczne. Szacunki masy w powyższym artykule Wikipedii dla najlżejszego zakresu neutrino od 10 do 10 000 GeV, co oznacza, że wskaźniki produkcji w SN będą znacznie niższe niż przy założonym 1 GeV. Wyższe wskaźniki produkcji powinny już zostać wykryte w LHC.

Dlatego z niewykrycia (w postaci straty energii) WIMPS w LHC powinno być możliwe oszacowanie górnej granicy szybkości produkcji w SN.

— Gerald
źródło

Nadal byłbym ciekawy takiej oceny. Czy to kilka cząstek, czy może to nanogram, którego możemy się spodziewać, czy może nawet gdzieś powyżej makroskali? Kolejny punkt utrudniający produkcję, z wyjątkiem oczekiwanego zakresu energii, jest oczywiście spowodowany przekrojami reakcji. Mogą być również raczej niskie.

— Alexey Bobrick

@AlexeyBobrick Jedna z hipotez mówi, że DM WIMPS są produktami rozpadu cięższych cząstek. SN mogą osiągnąć znacznie wyższe energie niż LHC, do około 10e19 eV. Jeśli produkcja WIMPS pójdzie w ten sposób, kosmiczne cząstki o wysokiej energii mogą być dodatkowym źródłem informacji. To pewną nadzieję, którą mogę dać za produkcję DM w SN, pomimo braku w LHC. Waham się, czy podać liczby, ponieważ istnieje zbyt wiele niepotwierdzonych hipotez. Wszystko może być źle.

— Gerald

prawda, i oczywiście zależy to od modelu. Interesujące byłoby jednak nawet przybliżone oszacowanie dla konkretnego modelu. Zauważ też, że 1) najbardziej energetyczne promienie kosmiczne najprawdopodobniej nie są wytwarzane w supernowych, 2) to termiczny, a nie ruch masowy ma znaczenie dla reakcji.

— Alexey Bobrick

Uważa się, że najbardziej energetyczne obserwowane promienie kosmiczne powstają w „pobliskiej” czarnej dziurze, co wciąż wymaga potwierdzenia. Ale jeśli tak, to może się również zdarzyć, gdy supernowe zapadną się w czarną dziurę, chociaż do tej pory nie udało się potwierdzić dobrej korelacji między GRB (które mogą być związane z SN) i CR o wysokiej energii. Promienie kosmiczne o wysokiej energii są ograniczone w podróży przez przesunięte na niebiesko kosmiczne tło mikrofalowe i związaną z tym utratę energii. Obecne idee tworzenia WIMP, o ile mogę przewidzieć, zmierzają w kierunku rozkładu cięższych cząstek.

— Gerald

... mniej więcej tak jak rozpad nukleonów produkuje neutrina. Bezpośrednia produkcja neutrin o masie poniżej 100 GeV wydaje się raczej mało prawdopodobna lub przynajmniej bardzo rzadka, rzadziej niż cząstki Higgsa. Można teraz odgadnąć ciężar cząstek, które rozpadają się na neutrina lub inne WIMPS i poszukać prawdopodobieństwa, że te energie wystąpią w SN. Teraz należy to pomnożyć przez odgadnięty przekrój reakcji. Hipotetyczny rozpad WIMP powinien zatem być prosty. Ale tutaj mamy szereg założeń, które zwiększą niepewność.

— Gerald

Istnieje kilka rodzajów supernowych i sposoby, w jakie rdzeń może się zawalić. Weźmy ekstremalny przypadek, w którym fotodezintegracja promieniami gamma niszczy wszystkie ciężkie pierwiastki (Si, Fe i Ni itp.) I rozbija je wszystkie na protony, neutrony i elektrony. Każde jądro uwalnia całą swoją energię wiązania, około 9 MeV na masę nukleonu lub 0,9% masy spoczynkowej. Wierzę, że większość energii wychodzi w postaci neutrin relatywistycznych (reszta w energii kinetycznej protonów, neutronów i elektronów). Zatem górną granicą jest to, że 0,9% masy rdzenia trafia do neutrin. Masa resztkowa neutrin jest znacznie mniejsza, ale masa relatywistyczna jest prawdopodobnie bardziej odpowiednią liczbą.

$\Omega$ $\Omega_{stars}$ $\Omega$

— eshaya
źródło