کیهان‌شناسان با رصد تابش زمینۀ کیهانی (CMB) درمی‌یابند که مقدار مادۀ تاریک جهان ما چقدر است. نظریه‌های مادۀ تاریک برای این که بتوانند موفق باشند باید بتوانند این چگالی را بازتولید کنند. اکنون تورستن برینگمن، از دانشگاه اسلو در نروژ، و همکارانش سازوکار جدیدی ارائه می‌کنند که طی آن جهان ما می‌تواند به چگالی کنونی مادۀ تاریک دست یابد^۱.

توضیحات مربوط به چگالی کنونی مادۀ تاریک شامل مدل‌هایFreeze-in / Freeze-out است. در مدل‌های Freeze-out، مقدار زیاد مادۀ تاریک اولیه با پلاسمای ذرات مدل استاندارد در جهان اولیه در تعادل است. با انبساط و سرد شدن جهان، فرایندهای ازبین‌برندۀ مادۀ تاریک از فرایندهای ایجادکنندۀ آن پیشی می‌گیرد تا جایی که چگالی مادۀ تاریک به مقدار کنونی آن کاهش می‌یابد. در مدل‌های Freeze-in، جهان با مادۀ تاریک اندک یا بدون مادۀ تاریک آغاز می‌شود، و پلاسمای ذرات مدل استاندارد مادۀ تاریک تولید می‌کنند تا زمانی که چگالی آن به مقدار کنونی برسد.

برینگمن و همکارانش مسیر دیگری نیز برای چگالی مادۀ تاریک ارائه کرده‌اند. آنها می‌گویند که مقدار اندک مادۀ تاریک در جهان اولیه می‌تواند طوری با ذرات مدل استاندارد برهم‌کنش داشته باشد که این ذرات خودْ به ذرات مادۀ تاریک تبدیل شوند. با تبدیل ذرات مدل استاندارد به سمت تاریک، و فراهم شدن امکان انجام این کار برای دیگر ذرات مدل استاندارد، مادۀ تاریک توانسته با سرعت بسیار بیشتری نسبت به مدل‌هایFreeze-in / Freeze-out بازتولید شود و در محیط چگال جهان اولیه به صورت نمایی رشد کند. این روند به طور طبیعی کند شده و سپس با انبساط جهان متوقف می‌شود و در نهایت چگالی مادۀ تاریک به مقداری می‌رسد که امروزه رصد می‌کنیم. محققان می‌‌گویند چنین تاریخچه‌ای می‌تواند پیامد طیف توان CMB و دیگر ویژگی‌های کنونی جهان باشد، به این معنا که این سازوکار بالقوه می‌تواند با رصدهای آینده پشتیبانی یا رد شود.

منبع:

https://physics.aps.org/articles/v14/s142

نویسنده:

اریکا کی. کارلسون (Erika K. Carlson). سردبیر Physics در نیویورک‌سیتی.

مراجع:

１. T. Bringmann et al., “Dark matter from exponential growth,” Phys. Rev. Lett. 127, 191802 (2021).