Axions e fótons escuros são dois dos tipos de partículas mais promissores para o desvendamento de uma nova física. O campo escalar do axion explica a ausência de um momento de dipolo elétrico para o nêutron, enquanto o fóton escuro se assemelha aos fótons regulares responsáveis ​​pelo eletromagnetismo, mas é enorme e muito mais fracamente acoplado.

No passado, muitos cosmologistas investigando a dinâmica no início do universo propuseram teorias que se concentravam em axions ou fótons escuros. Pesquisa explorando as interações entre esses dois tipos de partículas no universo primordial, por outro lado, ainda é escasso.

Com isso em mente, pesquisadores da Universidade de Maryland e da Universidade Johns Hopkins realizaram recentemente um estudo com o objetivo de investigar a interação entre os áxions e os fótons escuros no universo primitivo. Seu papel, publicado em Cartas de revisão física , examina uma série de exemplos em que um axion se mistura com um fóton escuro massivo dentro de um campo magnético de fundo.

"Embora haja uma grande quantidade de literatura sobre a evolução cosmológica de teorias com apenas uma dessas duas partículas, estávamos interessados ​​em entender como a interação de ambas as partículas no universo inicial poderia levar a novos recursos e acabamos descobrindo um comportamento muito interessante associado à sua mistura, “Gustavo Marques-Tavares, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Os novos efeitos que observamos foram drasticamente diferentes de outros tipos de mistura mais comumente considerados."

Em primeiro lugar, Marques-Tavares e seus colegas começaram a desenvolver uma hipótese física ou intuição. Para fazer isso, eles resolveram uma versão simplificada de equações específicas normalmente aplicadas a problemas analíticos complexos.

Uma vez que eles surgiram com uma intuição física, eles usaram duas técnicas matemáticas conhecidas como aproximação WKB e aproximação adiabática para obter um conjunto de soluções possíveis para o problema em que estavam se concentrando. Os pesquisadores então compararam as soluções aproximadas que identificaram com soluções numéricas exatas e descobriram que as duas combinavam muito bem.

Geral, eles sugerem que a mistura de um único derivado entre campos bosônicos massivos pode levar a mudanças substanciais na dinâmica do campo. Mais especificamente, poderia atrasar o início das oscilações clássicas, diminuindo e talvez até eliminando o atrito resultante da expansão do Hubble, que é a taxa na qual o universo está se expandindo. Os pesquisadores descreveram ainda mais o fenômeno que examinaram usando uma série de exemplos, que destacou as possibilidades decorrentes da interação entre os axions e os fótons escuros.

"De muitas maneiras, os campos escalares e vetoriais de luz se comportam mais como campos clássicos do que como partículas quânticas em sua evolução cosmológica, "Disse Marques-Tavares." Descobrimos que nosso método aumenta muito a amplitude do áxion em comparação com uma teoria que não inclui a mistura com um fóton escuro. Como a densidade de energia armazenada no campo aumenta com sua amplitude, isso leva a uma maior densidade de energia final para o áxion, permitindo que explique toda a matéria escura do universo. "

O trabalho recente desta equipe de pesquisadores apresenta cálculos que destacam os efeitos da mistura de um único derivado entre axions e fótons escuros, em oposição à mistura em massa ou mistura cinética mais típica. Os resultados apresentados por Marques-Tavares e seus colegas também destacam novos rumos para pesquisas futuras destinadas a melhor compreender os efeitos da mistura de um único derivado entre as partículas, particularmente no início do universo. Em seus próximos estudos, os pesquisadores planejam estudar os fótons escuros mais de perto, pois são fáceis de observar e, portanto, se tornaram candidatos populares de matéria escura.

"Os fótons escuros são notoriamente difíceis de produzir no início do universo, e assim, é um desafio para eles explicar toda a matéria escura, "Disse Marques-Tavares." O mesmo mecanismo que nos permite aumentar o número de axions também pode ser usado para aumentar o número de fótons escuros, permitindo que eles se tornem candidatos à matéria escura. Pretendemos explorar este novo mecanismo que propusemos aplicado aos fótons escuros. "

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