Что придает массу частицам темной материи?

Я думаю, что этот вопрос содержит неправильное представление, к сожалению, вызванное научно-популярными описаниями Стандартной модели.

Вопрос, кажется, предполагает, что должен быть какой-то конкретный источник, из которого частицы «получают» массу, как будто масса — это такой же ресурс, как деньги, и поле Хиггса выдает его. Но это неправильно. В общей теории поля нет проблем с добавлением нового поля.$\psi$частицы которого имеют массу. Единственное, что вам нужно сделать, это убедиться, что в лагранжиане есть член, пропорциональный$\psi^2$.

Вы можете возразить, что это нарушает закон сохранения энергии, потому что масса должна откуда-то «браться», но это неправильно. Масса — это цена энергии за создание частицы. Я не зарабатываю деньги, меняя ценник товара в магазине.

Причина, по которой популяризаторы науки говорят, что масса должна исходить из механизма Хиггса, заключается в особенности Стандартной модели (СМ). Симметрии СМ запрещают такой термин, как$\psi^2$для любого поля$\psi$в СМ, поэтому нам нужен трюк, чтобы получить массовый термин. Короче говоря, поле Хиггса$\phi$позволяет нам писать такие термины, как$\phi \psi^2$которые соблюдают симметрию. Это член взаимодействия, но мы можем настроить лагранжиан так, чтобы поле Хиггса$\phi$приобретает постоянную часть, что дает$\psi^2$массовый срок мы хотели.

Однако, как только вы начинаете размышлять о моделях темной материи, особенно о темной материи, которая вообще не взаимодействует с электрослабым взаимодействием, эти ограничения перестают применяться, и в целом нет ничего запрещающего$\psi^2$срок. Нет необходимости в каком-то особом механизме «придания» массы. Вы просто относитесь к массе точно так же, как в старших классах, вводной механике и квантовой механике: запишите это, назовите это.$m$и назовите это днем.

Существуют различные способы приобретения массы темной материей, которые не имеют ничего общего со слабым взаимодействием стандартной модели. Например, существуют теории со скрытым сектором — частицы, которые вообще не взаимодействуют с калибровочными бозонами стандартной модели, но имеют свои собственные взаимодействия.

Обратите внимание, что механизм Хиггса не требуется для генерации всей массы в стандартной модели. Массивные калибровочные бозоны приобретают свою массу через механизм Хиггса, но есть модели, в которых фермионные массы приобретаются через другие механизмы. В частности, источник массы нейтрино неизвестен.

Не зная, что такое темная материя, конечно, невозможно определить, как она приобретает массу.

Если у него вообще нет взаимодействий, нет необходимости в механизме приобретения массы. Явные массовые члены в лагранжиане стандартной модели представляют собой проблему только потому, что они нарушают калибровочную симметрию. Если поле не связано с калибровочными полями, его массовые члены не нарушают калибровочную симметрию, и массу можно просто добавить к лагранжиану вручную.

Из: « Белая книга о темной материи стерильных нейтрино кэВ » (9 февраля 2017 г.), более 130 авторов:

" Резюме

Несмотря на десятилетия поисков, природа и происхождение темной материи (ТМ) остается одной из самых больших загадок современной физики. Астрофизические наблюдения в широком диапазоне физических масштабов и эпох ясно показывают, что движение небесных тел, гравитационное искажение света и образование структур во Вселенной не могут быть объяснены известными законами гравитации и наблюдаемым распределением материи.$^{[1–7]}$.

Однако их можно очень хорошо согласовать, если постулировать наличие большого количества несветящегося DM внутри и между галактиками, вещества, которого во Вселенной гораздо больше, чем обычного вещества.$^{[1]}$. Общие идеи о том, что может стоять за DM, например, Massive Compact Halo Objects (MACHO)$^{[8–11]}$во многом исключены$^{[12, 13]}$или по крайней мере в нелюбимом$^{[14, 15]}$. Альтернативные объяснения, основанные на модификации закона всемирного тяготения$^{[16]}$не смогли сопоставить наблюдения в различных масштабах . Таким образом, наиболее привлекательным объяснением представляется существование одной или нескольких новых элементарных частиц .

В качестве первого шага была изучена пригодность известных частиц в хорошо проверенной Стандартной модели (СМ). Действительно, нейтральное, слабо взаимодействующее массивное нейтрино в принципе может быть кандидатом в ТМ. Однако нейтрино настолько легки, что даже при верхнем пределе их массы$^{[17, 18]}$они не могли восполнить всю плотность энергии ДМ$^{[19]}$. Более того, нейтрино производятся с такими большими (релятивистскими) скоростями, что они действовали бы как горячая ТМ (ГТМ), препятствуя образованию таких структур, как галактики или скопления галактик.$^{[20]}$.

Следовательно, объяснение ТМ с точки зрения новой элементарной частицы явно требует физики за пределами СМ . Есть несколько предлагаемых расширений SM, предоставляющих множество подходящих кандидатов в DM, но на сегодняшний день нет четких доказательств, говорящих нам, какое из них правильное».

...

Использованная литература:

1. Сотрудничество Planck, PAR Ade et al., Результаты Planck 2015. XIII. Космологические параметры, Астрон. Астрофиз. 594 (2016) A13, [1502.01589].
2. М. Персич, П. Салуччи и Ф. Стел, Универсальная кривая вращения спиральных галактик: 1. Связь темной материи, Пн. Нет. Рой. Астрон. соц. 281 (1996) 27, [astro-ph/9506004].
3. С. М. Фабер и Р. Е. Джексон, Дисперсия скоростей и отношение массы к светимости для эллиптических галактик, Astrophys. Дж. 204 (1976) 668.
4. Н. Кайзер и Г. Сквайрс, Картирование темной материи с помощью слабого гравитационного линзирования, Astrophys. Дж. 404 (1993) 441–450.
5. Д. Клоу, А. Гонсалес и М. Маркевич, Реконструкция массы слабого линзирования взаимодействующего скопления 1E0657-558: прямое свидетельство существования темной материи, Astrophys. J. 604 (2004) 596–603, [astro-ph/0312273].
6. WJ Percival, S. Cole, DJ Eisenstein, RC Nichol, JA Peacock, AC Pope и др., Измерение барионной шкалы акустических колебаний с использованием SDSS и 2dFGRS, Mon. Нет. Рой. Астрон. соц. 381 (2007) 1053–1066, [0705.3323].
7. Р. Дэйв, Л. Хернквист, Н. Кац и Д. Х. Вайнберг, Лайманский альфа-лес с малым красным смещением в космологии холодной темной материи, Astrophys. J. 511 (1999) 521–545, [astro-ph/9807177].
8. Б. Пачински, Гравитационное микролинзирование галактическим гало, Astrophys. Дж. 304 (1986) 1–5.
9. К. Грист, Галактическое микролинзирование как метод обнаружения массивных компактных гало-объектов, Астрофиз. Дж. 366 (1991) 412–421.
10. Коллаборация EROS, Т. Лассер, Недостаточно мачо звездной массы в галактическом гало, Астрон. Астрофиз. 355 (2000) L39–L42, [astro-ph/0002253].
11. Д.П. Беннетт, Микролинзирование оптической глубины Большого Магелланова Облака с несовершенным отбором событий, Astrophys. J. 633 (2005) 906–913, [astro-ph/0502354].

...

14. К. Грист, А. М. Чеплак и М. Дж. Ленер, Новые пределы темной материи первичных черных дыр на основе анализа данных микролинзирования с источника Кеплера, Phys. Преподобный Летт. 111 (2013) 181302.
15. П. Пани и А. Леб, Приливный захват первичной черной дыры нейтронной звездой: последствия для ограничений темной материи, JCAP 1406 (2014) 026, [1401.3025].
16. М. Милгром, Модификация ньютоновской динамики как возможная альтернатива гипотезе скрытой массы, Astrophys. Дж. 270 (1983) 365–370.
17. К. Краус и др., Окончательные результаты фазы II поиска массы нейтрино Майнца в бета-распаде трития, Eur. физ. J. C40 (2005) 447–468, [hep-ex/0412056].
18. Лобашев В.М. и др. Прямой поиск массы нейтрино и аномалии в бета-спектре трития // Физ. лат. B460 (1999) 227–235.
19. Э. В. Колб и М. С. Тернер, Ранняя Вселенная, Фронт. физ. 69 (1990) 1–547.
20. SDM White, CS Frenk и M. Davis, Кластеризация во Вселенной с преобладанием нейтрино, Astrophys. J. 274 (1983) L1–L5.

Также см.: « Масса частицы темной материи из теории и наблюдений » (10 апреля 2012 г.), авторы де Вега, Салуччи и Санчес, на стр. 12:

9. Выводы

Темная материя характеризуется двумя основными величинами: массой частицы ТМ$m$и число ультрарелятивистских степеней свободы при развязке$g_d$(или, альтернативно, температура развязки$T_d$). Получены профили плотности и теоретические соотношения между$m$и$g_d$включая наблюдаемые плотности...

Из наблюдаемых значений поверхностной плотности мы приводим здесь ясное свидетельство того, что масса частицы ТМ составляет около одного или двух кэВ. ".