Нелинейные решения теории поля и их роль в астрофизике и космологии

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 16-12-10494

НазваниеНелинейные решения теории поля и их роль в астрофизике и космологии

Руководитель Ткачев Игорь Иванович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук , г Москва

Конкурс №13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-101 - Физика элементарных частиц

Ключевые слова Тёмная материя, солитоны, Q-шары, Бозе-звезды, аксионы

Код ГРНТИ29.05.00, 29.05.49

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время астрофизика и космология переживают стадию бурного развития, во взаимосвязи с большим прогрессом в повышении точности экспериментов. В частности, твердо установлено, что большая часть материи во Вселенной представляет собой вещество неизвестной природы - тёмную материю. В настоящее время исследователями рассматривается несколько различных моделей и возможных кандидатов на роль тёмной материи, предпринимаются попытки их обнаружения как в прямых так и в косвенных экспериментах. Так, тёмную материю могли бы составлять новые слабовзаимодействующие массивные частиц, WIMP-ы, существования которых предсказывают различные суперсимметричные расширения Стандартной Модели. Однако, такие модели сегодня уже сильно ограничены данными экспериментов на Большом адронном коллайдере, пока не обнаруживших новых частиц за рамками Стандартной Модели. Другим возможным кандидатом на роль тёмной материи является аксион или подобная ему легкая скалярная частица с массой в районе 10^(-5)-10^(-6) эВ, мотивированный в первую очередь моделями теории поля, предлагающими динамический механизм решения CP-проблемы сильных взаимодействий. Еще одним перспективным кандидатом на роль темной материи являются Q-шары. Изучению аксионной темной материи и теорий с Q-шарами и посвящён настоящий проект. В отличие от суперсимметричного сценария, модели с лекой акионоподобной частицей в роли тёмной материи проработаны заметно меньше. Отличительной особенностью таких моделей является чрезвычайно высокая плотность числа частиц в Галактическом гало. Как следствие, такая темная материя может образовать конденсат Бозе-Эйнштейна, который в космологическом контексте представляет собой гравитационно-связанные ансамбли нерелятивистских аксионов – Бозе-звезды. На настоящий момент нет точного количественного ответа на вопросы о том, успевает ли сконденсироваться аксионоподобная темная материя, и, если успевает, то какова доля Бозе-здвезд от общего числа аксионов, оставшихся несвязанными, несмотря на то, что данный вопрос является критическим для выбора стратегии экспериментального поиска такого вида темной материи. Во многом это связано как с отсутствием строгого количественного описания процесса образования конденсата Бозе-Эйнштейна в космологическом контексте, так и с недостаточной изученностью свойств, а также особенностей эволюции когерентных полевых конфигураций в виде нетопологических солитонов, к которым относятся Бозе-звезды. Коллективом гранта планируется внести заметный вклад в теорию нетопологических солитонов, таких как Бозе-звезды и Q-шары, а также рассмотреть возможные варианты их поиска в астрофизических и космологических экспериментах, в моделях, где такие объекты могут играть роль темной материи Вселенной. Для этого, во-первых, планируется исследовать их свойства, такие как существование верхних пределов на энергию и заряд, их устойчивость, которые важны для их описания в космологическом контексте. Во-вторых, исследовать различные режимы и стадии их эволюции, начиная от эпохи их образования в ранней Вселенной и до настоящего времени. В-третьих, планируется дать количественную оценку известным, обсуждаемым в литературе на уровне по порядку величины, эффектам, а также рассмотреть менее изученные процессы, способные повлиять на результаты экспериментального поиска этих объектов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ковтун А.В., Нугаев Э.Я., Шкерин А.В. Characteristic modes of vibration of Q-balls EPJ Web Conf., Volume 191, 2018, 06018 (год публикации - 2018)
10.1051/epjconf/201819106018

2. Левков Д.Г., Панин А.Г., Ткачев И.И. Gravitational Bose-Einstein condensation in the kinetic regime Physical Review Letters, Volume 121, Issue 15, id.151301 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevLett.121.151301

3. Ковтун А.В., Нугаев Э.Я., Шкерин А.В. Vibrational modes of Q-balls Physical Review D, Phys. Rev. D 98, 096016 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevD.98.096016

4. Панин А.Г., Смоляков М.Н. Classical behaviour of Q-balls in the Wick-Cutkosky model The European Physical Journal C (год публикации - 2019)

5. Нугаев Э.Я. Metastable Q-balls EPJ Web Conf., Volume 191, 2018, 06017 (год публикации - 2018)
10.1051/epjconf/201819106017

6. Белоконь А.И., Токарева А.А. Light scalar dark matter coupled to a trace of energy-momentum tensor Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (год публикации - 2019)

7. Нугаев Э.Я., Панин А.Г., Смоляков М.Н. U(1) gauged Q-balls and their properties EPJ Web of Conferences, 158, 07003 (год публикации - 2017)
10.1051/epjconf/201715807003

8. Горбунов Д.С., Левков Д.Г., Панин А.С. Fatal youth of the Universe: black hole threat for the electroweak vacuum during preheating IOP Publishing Ltd and Sissa Medialab, JCAP 1710 (2017) no.10, 016 (год публикации - 2017)
10.1088/1475-7516/2017/10/016

9. Смоляков М.Н. Perturbations against a Q-ball: charge, energy and additivity property submitted to Physical Review D (год публикации - 2018)

10. Левков Д.Г., Нугаев Э.Я., Попеску А.Д. The fate of small classically stable Q-balls Springer Berlin Heidelberg (год публикации - 2017)

11. А.Г. Панин, М.Н. Смоляков Classical (in)stability of U(1) gauged Q-balls submitted to Physical Review D (год публикации - 2017)

12. Смоляков М.Н. Perturbations against a stationary solution of the nonlinear Schrodinger equation submitted to Physica D: Nonlinear Phenomena (год публикации - 2018)

13. А.В. Ковтун, Э.Я. Нугаев Radiative corrections and instability of large Q-balls submitted to Physical Review D (год публикации - 2017)

14. Э.Я. Нугаев, М.Н. Смоляков Q-balls in the Wick-Cutkosky model submitted to European Physical Journal C (год публикации - 2017)

15. В.И. Докучаев, Ю.Н. Ерошенко, И.И. Ткачев Destruction of axion miniclusters in the Galaxy Pleiades Publishing, J.Exp.Theor.Phys. 125 (2017) no.3, 434-442 (год публикации - 2017)
10.1134/S1063776117080039

16. Д.Г. Левков, А.Г. Панин, И.И. Ткачев Relativistic axions from collapsing Bose stars Physical Review Letters (год публикации - 2016)