Das Plasma im frühen Universum könnte dunkle Photonen davon abgehalten haben, den Kosmos zu erwärmen.

Laut einer Studie, die in Physical Review Letters veröffentlicht wurde, könnte das Plasma des frühen Universums dunkle Photonen daran gehindert haben, den Kosmos zu erwärmen. Die Forscher vermuten, dass dunkle Photonen, eine vorgeschlagene Form der dunklen Materie, aufgrund nichtlinearer Wechselwirkungen innerhalb des Urplasmas wahrscheinlich nicht wesentlich zur thermischen Geschichte des frühen Universums beigetragen haben.

Ihre Forschung zeigt, dass dunkle Photonen, wenn sie existierten, ihre Energie in der hochenergetischen Umgebung des frühen Universums nicht effizient in elektromagnetische Strahlung umgewandelt hätten. Als Ergebnis können Regionen des Parameterraums, die einst für dunkle Photonen als unwahrscheinlich galten, stattdessen lebensfähige Kandidaten beherbergen. Zuvor glaubten Wissenschaftler, dass dunkle Photonen mit dem dichten Plasma geladener Teilchen interagieren würden, die kurz nach dem Urknall vorhanden waren, Energie übertragen und eine messbare Erwärmung verursachen.

Neue Rechenmodelle zeigen jedoch, dass die Energieübertragung in einer höchst nichtlinearen Weise stattfindet, wodurch der Umwandlungsprozess effektiv gestoppt wird, bevor eine erhebliche Erwärmung stattfindet. Huang bemerkte, dass frühere Studien sich auf eine lineare Annäherung stützten, um die Interaktion zwischen dunklen Photonen und Plasma zu modellieren.

"Um dies anzugehen, überprüfte das Team die grundlegenden Prinzipien der Plasmaphysik, schließlich mit Shalaby, dessen Expertise auf diesem Gebiet genauere Simulationen ermöglichte. Diese Simulationen zeigten, dass das System schnell in einen Zustand gewaltiger Nichtlinearität übergeht, sobald dunkle Photonenergie mit dem Plasma interagiert. "Wir haben festgestellt, dass das Plasma tatsächlich verrückt wird, wenn man Energie in das Standardmodell umwandelt", sagte Huang. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass traditionelle Einschränkungen für die Eigenschaften dunkler Photonen über einen weiten Massenbereich weitgehend ungültig sind.

Insbesondere deutet die neue Analyse darauf hin, dass die konventionellen kosmologischen Grenzen nur für dunkle Photonen mit Massen über etwa 10−15 Elektronenvolt (eV) gelten. Unterhalb dieser Schwelle, die etwa 10 Größenordnungen bis 10−6 eV umfasst, fallen die vorherigen Annahmen zusammen. Dies entspricht Radiofrequenzen von Kilohertz bis Gigahertz. Shalaby betonte, dass das Neukalibrieren des Verständnisses dunkler Photonen neue Wege für die Entdeckung anderer schwer fassbarer Teilchen eröffnen könnte. "Durch die korrekte Berechnung des frühen Universums Plasma werden Experimente neue Parameterräume untersuchen und möglicherweise tatsächlich etwas sehen", erklärte er.

Huang wies darauf hin, dass die Anwendung nichtlinearer Effekte auf andere Teilchen zu einer Neubewertung ihres Verhaltens in extremen Umgebungen wie Neutronensternen oder weißen Zwergen führen könnte. "Lineare Annäherungen, die leicht zu berechnen sind, haben möglicherweise nichts mit dem Verhalten einer Neutronensternmagnetosphäre oder einer Magnetosphäre eines weißen Zwergs zu tun", fügte er hinzu.

Durch die Integration von Erkenntnissen aus der Plasmaphysik und der Teilchenphysik haben die Forscher alte Annahmen in Frage gestellt und neue Grenzen für die Suche nach dunkler Materie eröffnet.