Gli assioni e i fotoni oscuri sono due dei tipi di particelle più promettenti per svelare la nuova fisica. Il campo scalare degli assioni spiega l'assenza di un momento di dipolo elettrico per il neutrone, mentre il fotone oscuro assomiglia ai fotoni regolari responsabili dell'elettromagnetismo, ma è massiccio e molto più debolmente accoppiato.

Nel passato, molti cosmologi che studiano le dinamiche nell'universo primordiale hanno proposto teorie che si concentravano sugli assioni o sui fotoni oscuri. La ricerca che esplora le interazioni tra questi due tipi di particelle nell'universo primordiale, d'altra parte, è ancora scarso.

Con questo in testa, ricercatori dell'Università del Maryland e della Johns Hopkins University hanno recentemente condotto uno studio volto a studiare l'interazione tra assioni e fotoni oscuri nell'universo primordiale. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , esamina una serie di esempi in cui un assione si mescola con un massiccio fotone oscuro all'interno di un campo magnetico di fondo.

"Mentre c'è un ampio corpo di letteratura sull'evoluzione cosmologica delle teorie con solo una di queste due particelle, eravamo interessati a capire come l'interazione di entrambe queste particelle nell'universo primordiale potesse portare a nuove caratteristiche e abbiamo finito per trovare un comportamento molto interessante associato alla loro miscelazione, "Gustavo Marques-Tavares, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "I nuovi effetti che abbiamo osservato erano drasticamente diversi da altri tipi di miscelazione più comunemente considerati".

Prima di tutto, Marques-Tavares ei suoi colleghi hanno deciso di sviluppare un'ipotesi fisica o intuizione. Per fare questo, hanno risolto una versione semplificata di equazioni specifiche tipicamente applicate a problemi analitici complessi.

Una volta che hanno avuto un'intuizione fisica, hanno utilizzato due tecniche matematiche note come approssimazione WKB e approssimazione adiabatica per ottenere una serie di possibili soluzioni al problema su cui si stavano concentrando. I ricercatori hanno quindi confrontato le soluzioni approssimative che hanno identificato con soluzioni numeriche esatte e hanno scoperto che le due corrispondevano abbastanza bene.

Globale, suggeriscono che la miscelazione di singole derivate tra campi bosonici massicci potrebbe indurre cambiamenti sostanziali nella dinamica del campo. Più specificamente, potrebbe ritardare l'inizio delle oscillazioni classiche, diminuendo e forse anche eliminando l'attrito derivante dall'espansione di Hubble, che è la velocità con cui l'universo si espande. I ricercatori hanno ulteriormente descritto il fenomeno che hanno esaminato utilizzando una serie di esempi, che ha evidenziato le possibilità derivanti dall'interazione tra assioni e fotoni oscuri.

"In molti modi, i campi scalari e vettoriali di luce si comportano più come campi classici che come particelle quantistiche nella loro evoluzione cosmologica, "Ha detto Marques-Tavares. "Abbiamo scoperto che il nostro metodo migliora notevolmente l'ampiezza dell'assione rispetto a una teoria che non include la miscelazione con un fotone oscuro. Poiché la densità di energia immagazzinata nel campo cresce con la sua ampiezza, questo porta ad una maggiore densità di energia finale per l'assone, permettendogli di spiegare tutta la materia oscura nell'universo."

Il recente lavoro di questo team di ricercatori introduce calcoli che mettono in evidenza gli effetti della miscelazione di singole derivate tra assioni e fotoni oscuri, in contrasto con la più tipica miscelazione di massa o miscelazione cinetica. I risultati presentati da Marques-Tavares e dai suoi colleghi evidenziano anche nuove direzioni per la ricerca futura volte a comprendere meglio gli effetti della miscelazione di singole derivate tra particelle, particolarmente nell'universo primordiale. Nei loro studi successivi, i ricercatori hanno in programma di studiare più da vicino i fotoni oscuri, in quanto sono facili da osservare e sono quindi diventati popolari candidati per la materia oscura.

"I fotoni oscuri sono notoriamente difficili da produrre nell'universo primordiale, e quindi, è difficile per loro spiegare tutta la materia oscura, " ha detto Marques-Tavares. "Lo stesso meccanismo che ci permette di aumentare il numero di assioni può essere utilizzato anche per aumentare il numero di fotoni oscuri, permettendo loro di diventare un candidato per la materia oscura. Abbiamo in programma di esplorare questo nuovo meccanismo che abbiamo proposto applicato ai fotoni oscuri".

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