Les axions et les photons sombres sont deux des types de particules les plus prometteurs pour dévoiler une nouvelle physique. Le champ scalaire de l'axion explique l'absence de moment dipolaire électrique pour le neutron, tandis que le photon sombre ressemble aux photons réguliers responsables de l'électromagnétisme, mais il est massif et beaucoup plus faiblement couplé.

Autrefois, de nombreux cosmologues étudiant la dynamique dans l'univers primitif ont proposé des théories axées soit sur les axions, soit sur les photons sombres. Des recherches explorant les interactions entre ces deux types de particules dans l'univers primitif, d'autre part, est encore rare.

Avec ça en tête, des chercheurs de l'Université du Maryland et de l'Université Johns Hopkins ont récemment mené une étude visant à étudier l'interaction entre les axions et les photons sombres dans l'univers primitif. Leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , examine une série d'exemples dans lesquels un axion se mélange à un photon noir massif dans un champ magnétique de fond.

"Bien qu'il existe une abondante littérature sur l'évolution cosmologique des théories avec une seule de ces deux particules, nous étions intéressés à comprendre comment l'interaction de ces deux particules dans l'univers primitif pourrait conduire à de nouvelles fonctionnalités et avons fini par trouver un comportement très intéressant associé à leur mélange, " Gustavo Marques-Tavares, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Les nouveaux effets que nous avons observés étaient radicalement différents des autres types de mélange plus communément considérés."

Tout d'abord, Marques-Tavares et ses collègues ont entrepris de développer une hypothèse physique ou une intuition. Pour faire ça, ils ont résolu une version simplifiée d'équations spécifiques généralement appliquées à des problèmes analytiques complexes.

Une fois qu'ils ont eu une intuition physique, ils ont utilisé deux techniques mathématiques connues sous le nom d'approximation WKB et d'approximation adiabatique pour obtenir un ensemble de solutions possibles au problème sur lequel ils se concentraient. Les chercheurs ont ensuite comparé les solutions approximatives qu'ils ont identifiées avec des solutions numériques exactes et ont constaté que les deux correspondaient assez bien.

Globalement, ils suggèrent que le mélange d'une seule dérivée entre des champs bosoniques massifs pourrait provoquer des changements substantiels dans la dynamique du champ. Plus précisement, il pourrait retarder l'apparition des oscillations classiques, diminuant et peut-être même éliminant le frottement résultant de l'expansion de Hubble, qui est la vitesse à laquelle l'univers s'étend. Les chercheurs ont décrit plus en détail le phénomène qu'ils ont examiné à l'aide d'un certain nombre d'exemples, qui a mis en évidence les possibilités résultant de l'interaction entre les axions et les photons sombres.

"De plusieurs façons, les champs scalaires et vectoriels légers se comportent plus comme des champs classiques que des particules quantiques dans leur évolution cosmologique, " a déclaré Marques-Tavares. "Nous avons constaté que notre méthode améliore considérablement l'amplitude de l'axion par rapport à une théorie qui n'inclut pas le mélange avec un photon sombre. Parce que la densité d'énergie stockée dans le champ croît avec son amplitude, cela conduit à une plus grande densité d'énergie finale pour l'axion, lui permettant d'expliquer toute la matière noire de l'univers."

Les travaux récents de cette équipe de chercheurs introduisent des calculs qui mettent en évidence les effets du mélange à dérivé unique entre les axions et les photons sombres, par opposition au mélange de masse plus typique ou au mélange cinétique. Les résultats présentés par Marques-Tavares et ses collègues mettent également en évidence de nouvelles pistes de recherches futures visant à mieux comprendre les effets du mélange mono-dérivé entre particules, en particulier dans l'univers primitif. Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient d'étudier de plus près les photons sombres, car ils sont faciles à observer et sont donc devenus des candidats populaires pour la matière noire.

"Les photons noirs sont notoirement difficiles à produire dans l'univers primitif, Et ainsi, il est difficile pour eux d'expliquer toute la matière noire, " a déclaré Marques-Tavares. " Le même mécanisme qui nous permet d'augmenter le nombre d'axions peut également être utilisé pour augmenter le nombre de photons sombres, leur permettant de devenir un candidat à la matière noire. Nous prévoyons d'explorer ce nouveau mécanisme que nous avons proposé appliqué aux photons sombres."

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