Sobre (minúscula) produção de matéria escura em supernovas

Acredita-se que a matéria escura seja feita de partículas, que interagem com a matéria apenas de maneira fraca e gravitacional. Um candidato comum à matéria escura são os chamados WIMPs . Os WIMPs, especificamente, são pesados e podem ser suas próprias antipartículas.

E como qualquer outra partícula, as partículas de matéria escura podem ser produzidas com energias suficientemente altas. A massa de partículas de matéria escura é desconhecida, mas estima-se que ser da ordem de - , o que corresponde a temperaturas de - , em que estas partículas podem-se esperar que seja produzido. $1$ $100 \textrm{GeV}$ $T_{DM}\approx 10^{13}$ $10^{15}\textrm{K}$

Tais temperaturas enormes são quase impossíveis de serem atingidas em quaisquer processos astrofísicos razoáveis, mas digamos que em supernovas com colapso do núcleo o núcleo recém-formado tenha temperaturas de e provavelmente mais durante a fase de colapso. Então uma estimativa bruta sugere que a quantidade de matéria escura produzida é . Ou, no formulário numérico $T_{SN,after}\approx 10^{11}\textrm{K}$ $M_{DM}\approx e^{-T_{DM}/T_{SN,max}}M_\odot$ . Isto significa que a a quantidade de matéria escuro produzido durante uma super será cerca de um quilograma. Tais temperaturas são razoavelmente alcançáveis parapartículas de DM. Assim, pode-se esperar de maneira otimista alguns quilos de matéria escura produzidos por supernova. $\log_{10}(M_{DM}/\textrm{kg})=30.3-0.43(T_{DM}/T_{SN})$ $T_{SN}=1.4\cdot 10^{-2}T_{DM}$ $1 \textrm{GeV}$

Agora a pergunta. O que é uma produção típica de matéria escura nas supernovas de colapso do núcleo? Uma boa resposta, imagino, seria uma expansão mais robusta da estimativa existente. Quaisquer comentários construtivos são bem-vindos.

dark-matter high-energy-astrophysics

— Alexey Bobrick
fonte

Respostas:

Os WIMPS mais favorecidos no momento são provavelmente neutralinos, veja http://en.wikipedia.org/wiki/Neutralino

Essas partículas são puramente hipotéticas no momento. As estimativas de massa no artigo da Wikipedia acima para a faixa neutra mais leve entre 10 e 10.000 GeV, significando que as taxas de produção nos SNs serão muito menores do que com um 1 GeV assumido. Taxas de produção mais altas já deveriam ter sido detectadas no LHC.

Portanto, a partir da não detecção (na forma de perda de energia) do WIMPS no LHC, deve ser possível estimar um limite superior das taxas de produção nos SNs.

— Gerald
fonte

Eu ainda estaria curioso para saber tal estimativa. São poucas partículas, ou é um nanograma que podemos esperar, ou está mesmo em algum lugar acima das macroescalas? Um outro ponto que dificulta a produção, exceto a faixa de energia esperada, é devido às interseções da reação. Eles também podem ser bastante baixos.

— Alexey Bobrick

@AlexeyBobrick Uma hipótese é que DM WIMPS são produtos de decomposição de partículas mais pesadas. Os SNs podem atingir energias muito mais altas que o LHC, até cerca de 10e19 eV. Se a produção de WIMPS for assim, as partículas cósmicas de alta energia podem ser uma fonte adicional de informação. Essa é uma esperança que posso dar para a produção de DM nos SNs, apesar da falta no LHC. Hesito em fornecer números, porque existem muitas hipóteses não confirmadas. Tudo pode estar errado.

— Gerald

verdadeiro, e depende do modelo, é claro. No entanto, mesmo uma estimativa aproximada para algum modelo em particular seria interessante. Observe também que 1) os raios cósmicos mais energéticos provavelmente não são produzidos nas supernovas; 2) é térmico, não o movimento em massa, que é importante para as reações.

— Alexey Bobrick

Pensa-se que os raios cósmicos mais energéticos observados sejam produzidos em um buraco negro "próximo", que ainda está para ser confirmado. Mas, nesse caso, isso também pode ocorrer quando as supernovas colapsam em um buraco negro, embora uma boa correlação entre GRBs (que podem estar associados a SNs) e CRs de alta energia não tenha sido confirmada até agora. Os raios cósmicos de alta energia são restringidos em suas viagens pelo fundo cósmico de microondas com deslocamento azul e perda de energia associada. As idéias atuais da formação de WIMPs, até onde posso prever, tendem à deterioração de partículas mais pesadas.

— Gerald

... aproximadamente como a decadência dos núcleons produz neutrinos. Uma produção direta de neutralinos com massa abaixo de 100 GeV parece bastante improvável ou pelo menos muito rara, mais rara que as partículas de Higgs. Agora, é possível adivinhar o peso das partículas, que se decompõem em neutralinos ou outros WIMPS, e procurar as probabilidades de que essas energias ocorram nos SNs. Agora, isso deve ser multiplicado com uma seção de reação adivinhada. Uma decadência hipotética para os WIMPs deve então ser direta. Mas aqui temos uma sequência de suposições que multiplicarão incertezas.

— Gerald

Existem vários tipos de supernova e maneiras pelas quais o núcleo pode entrar em colapso. Vamos considerar um caso extremo no qual a fotodisintegração por raios gama destrói todos os elementos pesados (Si, Fe e Ni, etc) e os divide em prótons, nêutrons e elétrons. Cada núcleo libera toda a sua energia de ligação, cerca de 9 MeV por massa de nucleon ou 0,9% da massa restante. Acredito que a maior parte da energia sai na forma de neutrinos relativísticos (o restante em energia cinética dos prótons, nêutrons e elétrons). Portanto, um limite superior é que 0,9% da massa do núcleo acaba em neutrinos. A massa restante dos neutrinos é muito menor, mas a massa relativística é provavelmente o número mais relevante.

$\Omega$ $\Omega_{stars}$ $\Omega$

— eshaya
fonte