Может ли Солнце/Земля иметь ядро ​​из темной материи?

Самый простой способ для темной материи оказаться в ловушке внутри другого объекта — это взаимодействие и потеря некоторой кинетической энергии. В противном случае он просто набирал бы кинетическую энергию, попадая в гравитационный потенциал, а затем вылетал бы с другой стороны. Для ясности: этот ответ предполагает, что «необычная» темная материя, к которой относится вопрос, — это небарионная темная материя, состоящая из пока еще неизвестных частиц.

Чтобы взаимодействовать, мы должны предположить, что какое-то слабое взаимодействие этих частиц возможно, и если это так, то оно будет наиболее эффективным, когда существует большое сечение и вероятность взаимодействия.

Если масса объекта$M$и его радиус$R$и если сечение взаимодействия$\sigma$, то следующее является иллюстративным.

Число нуклонов равно$\sim M/m_u$. Численная плотность нуклонов

Итак, для Земли, вводя некоторые оценки для$M$и$R$, у нас есть$p \sim 4 \times 10^{37} \sigma$; для Солнца у нас есть$p \sim 10^{39} \sigma$; а для нейтронной звезды с$M = 1.5M_{\odot}$и$R=10$км, у нас$p \sim 10^{49}\sigma$.

Конечно, одного только взаимодействия недостаточно, частица темной материи должна терять энергию, а также необходимо учитывать гравитационную фокусировку, входящий энергетический спектр (включая массу покоя частиц), плотность темной материи и скорость, с которой она может "нарастить". Однако, что бы ни$\sigma$(и мы знаем, что он мал), вероятность взаимодействия и захвата внутри нейтронной звезды на 10 порядков выше, чем у Солнца (или Земли). Поэтому я полагаю, что аргумент заключается в том, что если внутри Земли или Солнца была захвачена какая -то темная материя, то нейтронные звезды должны быть полны этой субстанции. Поэтому имеет смысл искать доказательства темной материи внутри нейтронных звезд.

Темная материя ведет себя гравитационно так же, как обычная материя, однако у нее другое уравнение состояния, как у обычной материи. Следовательно, будут структурные различия (другое отношение массы к радиусу), а также различия в скорости охлаждения нейтронных звезд (см ., например, эту популярную статью ). Если мы не знаем, что находится в ядре нейтронной звезды, то мы не знаем, что там нет темной материи. Я попытаюсь выяснить, какие существуют пределы наблюдения.

Были проведены различные теоретические исследования, показывающие, как захват темной материи может повлиять на структуру Солнца (например, Камбербэтч и др., 2010 г. ). Захват темной материи снижает температуру ядра и может оказать потенциальное влияние на результаты гелиосейсмологии и поток нейтрино (особенно при определенных энергиях — Лопес и Силк, 2010 ; Гарани и Паломарес-Руис, 2017 ). Подобные эффекты однозначно не обнаружены.

Также может быть нейтринная сигнатура от самоаннигиляции темной материи, и это возможный путь к обнаружению темной материи, запертой внутри Земли. В эксперименте ICECUBE были найдены верхние пределы, которые, конечно же, согласуются с тем, что там нет темной материи, но также согласуются с наличием темной материи с малыми поперечными сечениями самодействия (например , Kunnen 2015 ; Aartsen et al. 2017 ) . .

В качестве частичного ответа, может ли Земля иметь ядро ​​темной материи, по-видимому, зависит от рассматриваемого типа темной материи. Есть много гипотетических предложений, и правда может заключаться не только в одном. Из-за двусмысленности этого в настоящее время нет общедоступного убедительного аргумента для интерпретации любых экспериментальных данных как предполагающих или опровергающих возможность существования ядра темной материи.

Вот одно из направлений работы, в котором обсуждается возможность того, что темная материя может формировать потоки, похожие на волосы, вокруг Земли, а не образовывать сгусток, похожий на ядро, или не подвергаться влиянию Земли:

Поток обычной материи не прошел бы сквозь Землю и вышел бы с другой стороны. Но с точки зрения темной материи Земля не помеха. Согласно моделированию Презо, гравитация Земли сфокусирует и согнет поток частиц темной материи в узкий, плотный волос.

Волосы, появляющиеся на планетах, имеют как «корни», самую плотную концентрацию частиц темной материи в волосах, так и «кончики», где волосы заканчиваются. Когда частицы потока темной материи проходят через ядро ​​Земли, они фокусируются в «корне» волоса, где плотность частиц примерно в миллиард раз больше средней. Корень такого волоса должен находиться на расстоянии около 600 000 миль (1 миллион километров) от поверхности, или вдвое дальше Луны. Частицы потока, которые касаются поверхности Земли, образуют кончик волоса, примерно в два раза дальше от Земли, чем корень волоса.

- «Земля может иметь волосатую темную материю» , НАСА (23 ноября 2015 г.)

Вот как они представляют себе это:

Если у Солнца/Земли действительно есть такое ядро, темную материю будет намного легче изучать, поскольку они так близко.

Авторы этого исследования, кажется, согласны:

«Если бы мы могли точно определить местонахождение корня этих волосков, мы потенциально могли бы отправить туда зонд и получить массу данных о темной материи», — сказал Презо.

- «Земля может иметь волосатую темную материю» , НАСА (23 ноября 2015 г.)

Allure: «Может ли Солнце/Земля иметь ядро ​​из темной материи ?»

Возможно, более интересный вопрос: каково примерное распределение темной материи внутри Солнца. Точного центра Солнца нет, для Земли результаты неубедительны.

Очарование: «Если темная материя вообще взаимодействует с обычной материей, это, скорее всего, должно происходить там, где обычная материя наиболее плотна».

В случае Солнца центр настолько плотный, что темная материя подвергается самоуничтожению. Тезис « Поиск солнечной темной материи с помощью нейтринного детектора IceCube » доктора Марселя Золля объясняет это следующим образом на странице 15 (страница 32 файла .PDF):

1.4 Косвенный поиск солнечных вимпов с нейтрино

Большие небесные тела, такие как Солнце, потенциально могут быть естественными аттракторами для ( слабо взаимодействующих массивных частиц ) вимпов.$^{48}$, гипотетические частицы, которые, как считается, составляют темную материю. Солнце, как часть галактического диска, вращается вокруг галактического центра и, таким образом, проходит через гало вимпов, которое считается покоящимся. Это приводит к рассеянию вимпов на ядрах Солнца. Если разброс связан со значительной потерей кинетической энергии вимпом, так что его скорость упадет ниже скорости убегания, он будет гравитационно связан с Солнцем. Со временем и при дальнейшем рассеянии вимпы в конечном итоге опускаются к ядру Солнца, где они накапливаются и термализуются. Возникающая в результате избыточная плотность вимпов приводит к процессам самоаннигиляции с образованием частиц СМ в большом количестве .. Из них только нейтрино могут покинуть Солнце. Этот процесс схематично показан на рис. 1.4.

Косвенные поиски темной материи солнечных вимпов чувствительны к сечению рассеяния вимпов-нуклонов, которое инициирует процесс захвата. Здесь масса$\simeq 2 · 10^{30}$кг для Солнца формирует огромную мишень, приводящую к захвату вимпов и их накоплению. Затем нейтрино, образующиеся в процессах аннигиляции, можно будет наблюдать на Земле в нейтринных телескопах, таких как IceCube. Даже если обнаружение нейтрино имеет свои собственные проблемы, обнаружение нейтринного сигнала со стороны Солнца было бы очень важным в его интерпретации для темной материи вимпов».

Allure: "... Солнце или даже Земля тоже могут иметь ядра темной материи - просто у них меньше шансов иметь такие ядра. Если у Солнца/Земли действительно есть такое ядро, темную материю будет намного легче изучать, поскольку они ты так близко."

Темная материя Солнца изучается с помощью нейтринных телескопов. В этих приборах используются фотоумножители Hamamatsu, направленные вниз, к центру Земли. Земля используется для блокировки низкоэнергетических частиц, которые в противном случае затопили бы чувствительный инструмент. Фотоумножители зарыты в чистый лед.

В статье « Методы реконструкции энергии в нейтринном телескопе IceCube » (10 февраля 2014 г.), подготовленной коллаборацией IceCube (более 300 авторов), объясняется:

1. Введение

Нейтринная обсерватория IceCube$^{1, 2}$представляет собой массив фотоумножителей (ФЭУ) объемом в кубический километр, встроенный в ледниковый лед на географическом Южном полюсе. Полный массив состоит из 5160 направленных вниз фотоумножителей Hamamatsu R7081, развернутых на 86 вертикальных цепочках на глубинах от 1450 до 2450 метров в ледяной шапке. IceCube обнаруживает нейтрино, наблюдая черенковский свет, индуцированный заряженными частицами, возникающими при взаимодействии нейтрино, когда они проходят через ледяной щит внутри детектора; энергия и импульс этих заряженных частиц отражают энергию и импульс исходного нейтрино.

При энергиях ТэВ, типичных для таких нейтринных телескопов, первичным каналом взаимодействия нейтрино является глубоконеупругое рассеяние на ядрах в материале детектора. И при взаимодействии с нейтральным током, и при взаимодействии с заряженным током в вершине взаимодействия нейтрино создается ливень адронов. Во взаимодействиях с заряженным током этот ливень сопровождается вылетающим заряженным лептоном. Этот лептон, особенно для электронов, также может быстро терять энергию и сам вызывать другой наложенный ливень. Черенковский свет излучается этим первичным лептоном и любыми сопутствующими ливнями с полной амплитудой, пропорциональной интегральной длине пробега заряженных частиц выше черенковского порога. Это, в свою очередь, пропорционально полной энергии этих частиц$^3$.

Производство света от электромагнитных (ЭМ) ливней является максимальным и имеет низкую дисперсию по отношению к выделенной энергии.$^3$. Таким образом, он образует естественную единицу реконструированной энергии ливня».

Изучение Солнца оказалось проще, чем изучение Земли (у нее более слабая гравитация, и из-за того, что детектор совмещен с центром Земли, вы не можете проводить множественные сравнения, полностью исключающие фон).

Allure: «Я видел популярные статьи (пример) о таких теориях, но все они довольно спекулятивны».

Это не совсем спекулятивно, мне кажется, это весьма похвально.

Очарование: «Если темная материя вообще взаимодействует с обычной материей, это, скорее всего, должно происходить там, где обычная материя наиболее плотная. Поэтому у нас есть статьи о нейтронных звездах, которые, возможно, содержат ядра темной материи (пример)».

Для каждого анализа есть два вида фона: «приводимый» фон, где частицы имитируют частицы, которые мы ищем (например, электрон высокой энергии может выглядеть точно так же, как фотон высокой энергии), и «неприводимый» фон, где частицы такие же, как те, которые мы ищем.

В « Нейтринном телескопе в поисках темной материи на Солнце » (14 октября 2017 г.) доктора Пэта Скотта он написал на странице 1:

" Текущее состояние

Нейтрино высокой энергии от Солнца обеспечивают один из самых чистых потенциальных каналов обнаружения слабо взаимодействующей темной материи (DM). Ожидается, что слабо взаимодействующие частицы ТМ, проходящие через Солнце, будут рассеиваться на солнечных ядрах. Некоторые из этих столкновений уменьшают кинетическую энергию частицы DM настолько, чтобы она стала гравитационно связанной с Солнцем, заставляя ее возвращаться на связанную орбиту и подвергаться последующему рассеянию, в конечном итоге термализуясь и оседая на солнечном ядре. Если ДМ сможет аннигилировать либо с собой, либо с анти-ДМ, захваченным аналогичным образом, в солнечном ядре будут произведены высокоэнергетические частицы СМ. Даже если нейтрино не входят в число тех частиц, которые образуются в жестком процессе аннигиляции, они все равно будут генерироваться с достаточно высокими энергиями при распаде и последующем взаимодействии других частиц СМ с ядрами Солнца. В отличие от других частиц СМ, эти нейтрино в масштабе ГэВ затем могут беспрепятственно перемещаться из центра Солнца на поверхность и через космос на Землю, где их можно обнаружить с помощью наземных экспериментов.

Направленность сигнала является основным средством, с помощью которого его можно отличить от фона атмосферных нейтрино, вызванного взаимодействием космических лучей с атмосферой Земли. Таким образом, единственным известным фоном сигнала является аналогичное образование нейтрино высоких энергий в атмосфере Солнца из-за взаимодействия космических лучей с солнечными ядрами.

Захват темной материи Солнцем обычно становится ограничивающим этапом в производстве любого сигнала, а не аннигиляцией. Поэтому поиски нейтрино высоких энергий от Солнца наиболее полезны для ограничения сечения взаимодействия темной материи с ядрами. Взаимодействия, зависящие от спина, особенно важны, поскольку Солнце состоит в основном из водорода, который обладает ядерным спином».

...

Страница 3:

» Улучшены фоновые вычисления

Предыдущие предсказания фонового уровня нейтрино высоких энергий от Солнца из-за взаимодействия космических лучей с ядрами в солнечной атмосфере были рассчитаны более десяти лет назад.$^{6,7,8}$Однако появились еще два недавних пересчета.$^{9,10}$По сравнению со старыми предсказаниями, в новых расчетах используются современные знания об осцилляциях нейтрино, сечениях рождения и взаимодействия. Один из них$^{10}$также использует современные модели состава и структуры Солнца и выполняет обширные симуляции Монте-Карло образования, взаимодействия и колебаний нейтрино. Оба исследования (и еще одно одновременно, основанное на старых оценках потока$^{11}$) показывают, что фон солнечной атмосферы для некоторых моделей лежит едва ли на порядок ниже современных пределов чувствительности (рис. 2). Это говорит о том, что будущие нейтринные телескопы смогут напрямую измерять этот неприводимый «нейтринный пол» и что улучшенные расчеты фоновых скоростей должны быть включены в будущие феноменологические исследования рассеяния и аннигиляции DM на Солнце».

9. CA Argüelles, G. de Wasseige, A. Fedynitch, and BJP Jones, Солнечные атмосферные нейтрино и нижний предел чувствительности для поиска солнечной аннигиляции темной материи, JCAP 7 (2017) 024, [arXiv:1703.07798].

10. Дж. Эдшо, Дж. Элевант, Р. Энберг и К. Ниблеус, Нейтрино от взаимодействия космических лучей на Солнце, JCAP 6 (2017) 033, [arXiv:1704.02892].

В « Нейтрино от взаимодействия космических лучей на Солнце » (10 июля 2017 г.) Эдшо, Элеванта, Энберга и Ниблеуса на странице 23 они написали и включили это изображение:

Наконец, для иллюстрации мы показываем на рисунке 12, как выглядело бы Солнце, если бы мы могли видеть мюоны, индуцированные нейтрино от взаимодействия солнечных космических лучей. Даже если угол рассеяния нейтрино-нуклонов несколько размывает потоки нейтрино, мы все равно видим кольцо как подпись этого сигнала с небольшим провалом в центре.».

Нижнее изображение представляет собой постеризованный фрагмент исходного изображения, чтобы лучше показать раковины.

«Рисунок 12. Солнце, каким его можно увидеть в нейтринных мюонах в нейтринный телескоп. Обратите внимание на провал в центре».

Как видите, плотность в центре немного меньше, что объясняется на стр. 15:

«Если мы сравним потоки нейтрино при рождении (сплошные линии) с потоками после прохождения через Солнце (штриховые линии), то увидим, что мы получаем провал при низких прицельных параметрах. Это эффект затухания, происходящего из-за взаимодействия при прохождении нейтрино через Солнце, как мы видели уже на рисунке 4. Так как плотность Солнца значительно выше в центре, эффект очень сильно выражен при низких прицельных параметрах.Мы также можем видеть, что эффект затухания выше для более высоких энергий, как и ожидалось.

Мы также можем видеть, как потоки добычи зависят от прицельного параметра. Мы можем видеть, что для более высоких энергий они довольно максимальны при больших параметрах удара, что ожидается, поскольку плотность, где происходит каскад, ниже для этих скользящих по Солнцу КЛ, и, следовательно, потоки выше. Мы также получаем небольшой вклад от мюонов, распадающихся вне Солнца при высоких прицельных параметрах и высоких энергиях.3 Полный поток от Солнца получается путем интегрирования по прицельным параметрам, включая тот факт, что телесный угол больше для больших прицельных параметров. Следовательно, часть этих цифр с высокими прицельными параметрами будет наиболее важной для полного потока от Солнца».

Приведенный выше документ «Нейтрино от взаимодействия космических лучей на Солнце» также рекомендуется на странице 70 « Вклад нейтринной обсерватории IceCube в ICRC 2017, часть III: космические лучи » (более 300 авторов), в статье: «Солнечные атмосферные нейтрино поиск с помощью IceCube», авторы Сонджин Ин и Карстен Ротт, они написали:

«Солнечные атмосферные нейтрино обеспечивают естественный фон для поиска солнечной темной материи и ограничивают их чувствительность, как недавно указывалось.$^{[5, 6, 7]}$.".

7. Дж. Эдсьо, Дж. Элевант, Р. Энберг и К. Ниблеус, [astro-ph/1704.02892v1].

В « Распределении неупругой темной материи на Солнце » (19 февраля 2018 г.) Бленноу, Клеменц и Эрреро-Гарсия на странице 17 они написали:

«Теперь мы используем уравнение (36), чтобы преобразовать распределение в пространстве EL в радиальное распределение. Результаты для упругого рассеяния показаны на рис. 5 для времен$t = 10^{−10} t\odot$(левый),$t = 10^{−8} t\odot$(средний) и$t = 10^{-6} t\odot$(правильно). Распределение сравнивается с изотермическим из уравнения. (33) с интегрированием угловых степеней свободы. Видно, что распределение практически достигло равновесия уже при$t = 10^{−8} t\odot$, незначительно изменяясь при$t = 10^{-6} t\odot$. Распределение Больцмана дает достаточно точное описание распределения, хотя численно рассчитанное немного смещено в сторону больших радиусов, и его пик не столь выражен.

Переходя к случаю неупругой DM, мы снова сосредоточим наше обсуждение на иллюстративном случае m$_χ$= 100 ГэВ и δ = 100 кэВ».

Примечание:$χ$используется как символ частицы темной материи, вимпа.

На странице 20 они написали:

«Наконец, мы получаем радиальные распределения для неупругого рассеяния. Результаты показаны на рис. 7. На очень ранних временах распределение простирается до больших радиусов.$t = 10^{−9} t\odot$, начинает формироваться большая концентрация, показанная ниже$r/R\odot \simeq 0.3$, который очень медленно движется к меньшим радиусам, образуя распределение с центром в$r/R\odot \simeq 0.1$в$t = 10−5 t\odot$. Однако даже при$t = t\odot$, распределение не достигло стационарного состояния. Еще одно важное наблюдение состоит в том, что распределение Больцмана теперь очень плохо описывает окончательное распределение. Это происходит исключительно из-за того, что частицы захватываются без возможности дальнейшего рассеяния, особенно те, которые находятся в области низких$E$которые способствуют$f_{num}(r)$на меньших радиусах. Поскольку количество$χ^∗$частиц совершенно пренебрежимо мало, суммарное распределение DM идентично$χ$распределение.

Эти два изображения согласуются с предыдущим, включенным в «Нейтрино от взаимодействия космических лучей на Солнце».

Allure: «Есть ли какие-либо наблюдательные доказательства того, что Солнце/Земля на 100% состоят из обычной материи? Если нет, то каков предел наблюдений доли темной материи Солнца/Земли?»

В статье «Поиски темной материи в центре Земли с помощью детектора IceCube», включенной в статью: « Нейтринная обсерватория IceCube — вклад в ICRC 2017, часть IV: поиски физики, выходящей за рамки стандартной модели », подготовленной коллаборацией IceCube. , авторы писали:

Страница 39: «В то время как большая ледяная толща над детектором обеспечивает защиту от падающих вниз мюонов, индуцированных космическими лучами с энергиями$\begin{smallmatrix}\lt\\\sim\end{smallmatrix}$500 ГэВ на поверхности, большинство анализов сосредоточено на восходящих нейтрино, использующих всю Землю в качестве фильтра. Кроме того, при низкоэнергетическом анализе DeepCore используется в качестве реперного объема, а окружающие струны IceCube используются в качестве активного вето для уменьшения проникающего мюонного фона. При поиске сигнатур аннигиляции вимпов в центре Земли используются преимущества этих двух методов подавления фона, поскольку ожидаемый сигнал будет направлен вертикально вверх и имеет низкую энергию».

Страница 40: " 4. Фон

Поскольку сигнальные нейтрино возникают вблизи центра Земли, они вызывают в детекторе вертикально восходящий сигнал. Однако это особое направление в геометрии IceCube, поскольку струны также вертикальны. В то время как при поиске других точечных источников свободная от сигнала контрольная область того же приема детектора может быть определена путем изменения азимута, это невозможно для анализа земных вимпов. Следовательно, надежная оценка фона может быть получена только путем моделирования.

Необходимо учитывать два типа фона: первый тип состоит из атмосферных мюонов, созданных космическими лучами в атмосфере над детектором. Хотя эти частицы входят в детектор сверху, небольшая их часть будет неправильно реконструирована как восходящая.

Второй тип фона состоит из атмосферных нейтрино. Этот непреодолимый фон идет со всех сторон».

Страница 43: " 8. Заключение

Используя годовые данные, полученные полностью укомплектованным детектором, мы выполнили первый поиск IceCube нейтрино, произведенных аннигиляцией темной материи вимпов в центре Земли. Никаких свидетельств наличия сигнала обнаружено не было, и были установлены верхние пределы 90% CL для скорости аннигиляции и результирующего потока мюонов в зависимости от массы вимпа. Предполагая естественный масштаб для усредненного по скорости сечения аннигиляции, можно было бы получить верхние пределы на независимое от спина сечение рассеяния вимпов-нуклонов. Ограничения на скорость аннигиляции в 10 раз более строгие, чем предыдущие ограничения. Для непрямого поиска вимпов через нейтрино этот анализ очень дополняет поиски Солнца. В частности, при массах вимпов около 50 ГэВ, из-за резонансного захвата ядрами железа в Земле чувствительность этого анализа превышает чувствительность поиска аннигиляций вимпов на Солнце. Соответствующий предел для независимого от спина поперечного сечения, представленный здесь, является лучшим, установленным в настоящее время IceCube. Следующий анализ, объединяющий данные за несколько лет, еще больше повысит чувствительность».

Результаты не превышают статистической погрешности, что делает их неубедительными.

Ньютон придумал гравитационную физику, и эта теория соответствовала всем наблюдениям за кинематикой Солнечной системы. Небольшие расхождения исчезают с введением общей теории относительности, которая очень согласуется с наблюдениями за орбитами и использованием GPS . Насколько мне известно, в солнечной кинематике нет открытых вопросов, для объяснения которых требуется часть измеренных масс планет/солнца для объяснения темной материи.

Из предоставленной вами ссылки видно, что большие массы нейтронных звезд, обычно превышающие 1,4 массы Солнца , необходимы для наблюдения эффектов. Не исключено, что если модель темной материи будет соответствовать данным нейтронных звезд, ее можно будет опробовать на Солнце. Массы планет уже рассчитаны с любым содержимым внутри их радиуса, и у них нет переменных радиусов, как в примере, на который вы ссылаетесь, или светимости, которая может иметь измеримые изменения, как в двух ссылках в ссылке.