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 22-12-00215

НазваниеНелинейные объекты в аксионной и аксионоподобной темной материи

РуководительТкачев Игорь Иванович, Доктор физико-математических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2024 г.

Конкурс№68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-706 - Космология и микрофизика

Ключевые словааксионы, темная материя, быстрые радиовлсплески, конденсат Бозе-Эйнштейна, Бозе-звезды, аксионные миникластеры

Код ГРНТИ29.05.45 29.05.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Идентификация частиц темной материи является одной из центральных задач современной физики. В ряду лидирующих кандидатов на роль темной материи находятся гипотетические частицы - аксионы, изначально предложенные в рамках решения СР проблемы сильных взаимодействий. Сейчас активно исследуется более широкий класс моделей c аксионоподобной (ALP) темной материей, состоящей из легких (псевдо)скалрных частиц. Помимо аксионов КХД, интересным примером здесь является "расплывчатая" (fuzzy) темная материя, частицы которой имеют массу 10^{-21} - 10^{-22} эВ. Ввиду этого разнообразия, в дальнейшем, под термином аксион мы будем понимать не только аксионы КХД, но и другие аксионоподобные частицы. Тип аксионов, который имеется ввиду в конкретных задачах, будет ясен из контекста, либо будет оговариваться специально. Космология и астрофизика аксионной темной материи оказались чрезвычайно богатыми, со множеством разнообразных следствий и проявлений. Во-первых, аксионам КХД свойственно образование струн, доменных стенок и относительно долгоживущих осциллонов в ранней Вселенной. Поэтому эволюция аксионного поля в эпоху фазового перехода КХД может происходить существенно нелинейным и неоднородным образом, что не позволяет сделать надежное предсказание для массы аксионов КХД в интересном случае, когда они образуют всю темную материю. Как следствие нелинейной динамики, современная Вселенная оказывается заполненной аксионными миниклаcтерами - сверхплотными гравитационно-связанными структурами с массой порядка 10^{-13} масс Солнца. Наконец, известно, что в результате кинетического рассеяния в центре большинства миникластеров образуются Бозе-звезды - гравитационно связанные капельки конденсата Бозе-Эйнштейна. В данном проекте запланировано изучение большинства из вышеперечисленных нелинейных объектов, а также следствий их существования, что крайне важно для планирования стратегии поисков аксионов темной материи. В частности, задачей проекта является изучение новых или недостаточно исследованных процессов, связанных с этими объектами (разрушение миникластеров при столкновении со звездами, кинетический рост Бозе-звезд, распад вращающихся Бозе-звезд), либо разработка новых методов их описания (улучшенная функция распределения миникластеров, низкоэнергетическое описание осциллонов). Отдельная задача проекта посвящена изучению осциллонов – долгоживущих нелинейных конфигураций релятивистского скалярного поля. Эти объекты важны в космологической модели с аксионами КХД, а также в некоторых моделях инфляции. Несмотря на множество выдвинутых предположений, все еще плохо изучен механизм, из-за которого время жизни осциллонов сильно превышает обратную массу поля. Мы собираемся предложить аналитический способ их описания, основанный на получении классического аналога низкоэнергетического эффективного действия. В эффективной теории, осциллоны являются точными решениями уравнений поля - нетопологическими солитонами – а их распад происходит из-за поправок. Важнейшая цель проекта - изучение электромагнитного взаимодействия аксионной темной материи, что ведет к новым наблюдательным предсказаниям. В частности, в проекте будет проведено исследование эффекта вариации частоты фотонов в атомных переходах за счет аксионов КХД и получены соответствующие ограничения. Также будет проведен анализ астрономических данных на предмет обнаружения эффектов кирального линзирования за счет аксион- фотонного взаимодействия и прогноз чувствительности планируемых наблюдений. Будет проведено исследование электромагнитного излучения от компактных объектов аксионной темной материи. Здесь важно, что взаимодействие аксионов КХД с фотонами усилено в аксионных звездах и миникластерах за счет Бозе-факторов. Именно поэтому их излучение может оказывать значительное влияние на диффузный радиофон, а также усиливать проходящее через них внешние радиосигналы с помощью стимулированного излучения несмотря на геометрические факторы подавления. Более того, в некоторых моделях рождение фотонов в Бозе-звездах может происходить взрывным образом за счет развития параметрического резонанса, а встреча этих объектов с областями, заполненными сильным магнитным полем, скажем, с окрестностями магнитаров, ведет к их гибели в мощной вспышке радиоизлучения. В гранте будет уделено особое внимание всем этим задачам. В частности, будет изучена возможность объяснения быстрых радиовсплесков с помощью параметрического взрыва аксионных звезд на радиофотоны. Для этого будет дополнительно исследовано уширение спектров радиовсплесков в результате нелинейного рассеяния их сигналов в плазме, окружающей источник. Проект также включает в себя исследование более общих моделей с аксионоподобными частицами, где образуются похожие нелинейные объекты и есть связанные с ними загадки. К примеру, космологические симуляции "расплывчатой" темной материи показывают, что в этом случае каждая галактика оснащена "солитонным кором", т.е. Бозе-звездой гигантских размеров. Физический механизм образования "кОров" в настоящее время неизвестен. Наивная экстраполяция численных результатов говорит о том, что в центре больших галактик, таких, как наша, должны присутствовать соразмерно большие "коры", оказывая сильный эффект на кривые вращения. Однако эта экстраполяция безосновательна до тех пор, пока не будет разработана новая надежная теория, что и планируется сделать в ходе выполнения гранта. Также будет проведено упрощённое исследование гравитационно-волновых и других наблюдательных проявлений сценария, в котором роль темной материи играет ансамбль нетопологических солитонов – Q-шаров, – формирующихся из не взаимодействующего с барионами скалярного поля. Будет проведена проверка, основанная на использовании новейших астрофизических данных, высказанной ранее гипотезы о присутствии сверхмассивных солитонов из темной материи в центрах некоторых галактик и теоретический анализ этой гипотезы в контексте сценариев темной материи и гравитационно-волновых наблюдений. В проекте будут изучаться и другие характерные особенности аксионоподобной темной материи с акцентом на исследование нелинейных объектов и их значения для разработки стратегии будущих экспериментов.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будут исследованы нелинейные объекты, структуры и явления, возникающие в моделях с легкой (аксионоподобной) темной материей. Будет получена улучшенная, реалистичная функция распределения миникластеров из аксионов КХД по массе и плотности, являющаяся ключевой для многих проблем в области исследований проекта. Для этого будут исследованы "прародители" миникластеров - аксионные осциллоны. Будет разработано качественное и количественное аналитическое описание осциллонов, основанное на нахождении низкоэнергетического эффективного действия. Этот подход будет проиллюстрирован с помощью явных вычислений в простой модели. Будет изучен кинетический рост Бозе-звезд в центре миникластеров в зависимости от параметров окружения, и как следствие, найдено распределение этих звезд. Задача о росте Бозе-звезд будет обобщена на случай роста галактических "солитонных кОров" в модели со сверхлегкой (fuzzy) темной материей. При этом, будет учитываться влияние внешнего не стационарного гравитационного поля, которое может убыстрять рост кОров. Исходя из этих результатов, будут конкретизированы и квантифицированы возможные наблюдательные следствия существования аксионных миникластеров и Бозе-звезд и откорректированы рекомендации для разработки стратегии по прямым (лабораторным) и косвенным (астрофизическим) поискам аксионной темной материи. В частности, будет исследовано изменение диффузного радиофона за счет рождения радиофотонов в аксионных миникластерах и Бозе-звездах. Еще одна задача проекта - изучение появления узкой спектральной линии в излучении компактных радиоисточников при его прохождении через аксионные звезды и миникластеры из-за стимулированного распада аксионов. Будет изучена возможность объяснения быстрых радиовсплесков (FRB) с помощью параметрического взрыва Бозе-звезд на радиофотоны. Часть этой задачи - исследование уширения спектров FRB в результате прохождения их мощных радиосигналов через среду возле источника. Это позволит прояснить местоположение и механизм возникновения быстрых радиовсплесков, а заодно расширить наши знания о нелинейном взаимодействии электромагнитных волн в различных астрофизических условиях. Наконец, будет исследована вариация частоты фотонов в атомных переходах, связанная с присутствием аксионов темной материи, а также проведен анализ астрономических данных на предмет обнаружения эффектов кирального линзирования этими аксионами. Это приведет к новым предсказаниям, с помощью которых будет обнаружено (или ограничено) аксион-фотонное взаимодействие, что дает возможность существенно изменить наблюдаемую картину мира. Будет изучено описание эволюции ансамбля Q-шаров темной материи и получены ограничения на параметры моделей темной материи состоящей из Q-шаров из поиска гравитационно-волновых сигналов от их рождения и слияния. Результаты, полученные в ходе выполнения данного проекта, будут находиться на мировом уровне, а по ряду направлений, возможно, его определять. Большая часть планируемых результатов будет общей для ряда областей физики, таких, как космология, астрофизика, физика плазмы, нелинейная радиофизика, физика конденсированных сред и т.д.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Нами решена задача о кинетическом росте бозе-звезд в термализованном газе самогравитирующих частиц. После рождения бозе-звезда начинает поглощать частицы из своего окружения. В реалистичных моделях темной материи единственным взаимодействием, которое может здесь играть роль, является гравитация. Несмотря на важность, адекватного понимания и аналитического описания этого процесса не было. Предыдущие попытки в опубликованной литературе были сосредоточены на актах прямых переходов частиц газа непосредственно в основное состояние звезды. Однако, гравитационные взаимодействия носят дальнодействующий характер, и в них преобладают столкновения с небольшой передачей энергии.. Поэтому процессы, когда частицы перескакивают из области средних энергий в газе прямо в основное состояние звезды, возможны, но имеют очень малую вероятность. Чтобы понять динамику роста бозе-звезды, мы сначала выполнили прямое решеточное моделирование эволюции классического поля в нестационарном самосогласованном гравитационном поле. Мы обнаружили, что рост бозе-звезды полностью определяется кинетическими процессами в газе с нетривиальными граничными условиями. На холодной границе поток числа частиц через поверхность нулевой энергии в область связанных состояний удерживает постоянно заселенными все уровни отрицательной энергии, которые возникают в гравитационном поле звезды. Непрерывно происходящие переходы с возбужденных уровней на нижележащие, заставляют звезду расти и, в силу закона сохранения энергии, параллельно инжектируется часть входящих частиц обратно в окружающий газ, в основном на высокоэнергетический конец спектра несвязанных частиц. При таких нетривиальных граничных условиях эволюция функции распределения частиц в газе становится автомодельной. Это неожиданный результат, так как ранее считалось, что кинетическое уравнение Ландау не допускает автомодельных решений. Мы обнаружили это самоподобие в прямом решеточном моделировании системы Шредингера-Пуассона, а также подтвердили в специальном исследовании кинетического уравнения Ландау с соответствующими граничными условиями. Самоподобие значительно упрощает аналитический подход. Нам удалось решить соответствующие динамические уравнения аналитически и найти решения, описывающие эволюцию бозе-звезды от рождения до асимптотически поздних времен. Полученные результаты применимы к произвольным моделям и произвольным начальным условиям, допускающим бозе-конденсацию. В частности, они описывают рост аксионных звезд в минископлениях в аксионных моделях темной материи. Для моделей ультралегкой темной материи они раскрывают механизм роста солитонных ядер в центрах карликовых галактик и объясняют происхождение эмпирического соотношения ядро-гало, ранее установленного феноменологически при моделировании формирования космологических крупномасштабных структур в таких моделях. Мы исследовали осциллоны – локализованные, почти периодические и чрезвычайно долгоживущие классические решения в моделях с вещественными бозонными полями. К настоящему времени осциллоны были обнаружены в огромном количестве теорий с притягивающим потенциалом самодействия. Все они излучают волны и в конечном счёте исчезают, но перед этим живут порядка 103-1014 периодов осцилляций. Настолько большие времена жизни удивительны и требуют объяснения, поскольку в моделях с осциллонами обычно нет больших, малых или тонко подстроенных параметров. Хотя осциллоны стали широко распространены в космологии (например, они образуются в больших количествах при образовании аксионной или сверхлёгкой тёмной материи), до сих пор не существует удовлетворительного теоретического описания осциллонов и объяснения их чрезвычайно долгого времени жизни. Мы построили описание широких осциллонов произвольной амплитуды через эффективную теорию поля (EFT). Для определённости, мы рассмотрели одно вещественное скалярное поля с симметричным потенциалом. Мы также исследовали возможность явного построения EFT в общем случае скалярного потенциала, представимого в виде ряда Тейлора по скалярному полю. В этом случае все форм-факторы в EFT находятся как разложение по степеням действия. Мы показали, что низкоамплитудное разложение может быть получено из EFT прямым переразложением EFT по степеням поля.

Публикации

1. Левков Д.Г., Маслов В.Е., Нугаев Э.Я., Панин А.Г. An Effective Field Theory for Large Oscillons Springer, - (год публикации - 2022)

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Мы показали, что найденное нами в в 2022 году аналитическое решение задачи о росте Бозе-звезд в однородном "газе" частиц темной материи, занимающем ограниченный объем допускает обобщения на следующие случаи. 1. Рост звезды в реалистическом самогравитирующем неоднородном гало темной материи. 2. Пренебрежимо малая константа контактного самодействия на начальном этапе роста, но становящаяся существенной на поздних этапах и входящая в уравнения на этой стадии через потенциальную энергию растущей звезды. Мы изучили автомодельные решения кинетического уравнения (уравнения Ландау), описывающего однородный газ с гравитационным взаимодействием. Это исследование турбулентности представляет общий интерес для кинетической теории. Во-перавых, одно из искомых самоподобных решений описывает рост Бозе-звезд, так что остальные тоже могут найти свои применения. Во-вторых, колмогоровские турбулентные потоки не являются физическими решениями уравнения Ландау в случае дальнодействия. Наш анализ показал: (а) Самоподобные решения отсутствуют, если газ изолирован, т.е. его энергия и масса конечны и сохраняются. (б) Самоподобные функции распределения быстро (экспоненциально) спадают при высоких импульсах частиц. (в) Поведение самоподобных решений при низких импульсах может быть двух видов, соответствующих двум степенным поведениям. Во-первых, поток числа частиц в область отрицательных энергий может быть ненулевым (конденсация). Во-вторых, поток энергии тоже может быть конечным и ненулевым (испарение конденсата). Решения, соответствующие этим двум режимам, являются самоподобными обобщениями колмогоровских каскадов с постоянными потоками на случай дальнодействия. Численно была решена задача, в которой лавионобразное рождение радиофотонов возникает в результате сближения двух Бозе-звезд, движущихся по вытянутым эллиптическим орбитам вокруг общего центра масс. Были полностью учтены эффекты обратного влияния рожденного радиоизлучения на Бозе-звезды. Показано, что при определенных значениях параметров, определяющих траекторию движения Бозе-звезд, можно добиться того, что резонанс возникает на некоторое время, достаточное для того, чтобы в результате родилась мощная радиовспышка, которая в то же время приводит к распаду небольшой части аксионов Бозе-звезд. Наблюдаемая длительность вспышки может быть произвольно короткой и зависит от расстояния до источника, так как излучение сконцентрировано во вращающемся луче. Резонанс может повторяться при повторном сближении аксионных звезд. Было разработано аналитическое описание осциллонов – долгоживущих почти периодических сгустков поля – в скалярных теориях поля с почти квадратичными потенциалами, например потенциалом монодромии. Осциллоны в моделях монодромии примечательны по нескольким причинам: они не только обладают сильным полем, но и живут невероятно долго. Особенно важно то, что эти осциллоны могут влиять на несколько процессов в ранней Вселенной, которые описываются моделью монодромии – например, они могут образовываться (и излучать гравитационные волны) на стадии постинфляционного разогрева или же образовывать часть скалярной тёмной материи. Чтобы их описать, мы объединили ранее разработанную для осциллонов большого размера эффективную теорию поля с «ренормгрупповым» подходом, который позволил извлечь слабую нелинейность потенциала даже при очень больших амплитудах колебаний. Основная идея трюка заключается во введении «бегущего» масштаба, и, следовательно, эффективной массы приближённой линейной теории. Дальнейшее разложение производится и по градиентному члену, и по нелинейности – внутри осциллонов большого размера они оказываются одного порядка. Получающаяся эффективная теория обладает глобальной U(1) симметрией, соответствующим сохраняющимся зарядом и потому приближённо описывает осциллоны как нетопологические солитоны. В рамках эффективной теории мы получили профили осциллонов, их энергии и заряды при различных частотах и сравнили их с соответствующими характеристиками настоящих осциллонов, полученных в результате численных симуляций в полной теории. Оказалось, что благодаря трюку с «бегущей массой» точность эффективной теории не ухудшается даже при чрезвычайно больших амплитудах осциллонов, однако подход становится менее точным для более нелинейных потенциалов. При этом даже в сильно нелинейной модели космологической инфляции более аккуратный выбор «бегущего» масштаба разложения позволил нам получить ответ с разумной точностью уже в главном порядке. Для почти квадратичных потенциалов наш метод существенно превосходит по точности имеющиеся в литературе – в частности, разложение по амплитуде поля и прямое разложение по параметру нелинейности.

Публикации

1. Давыдов Д.Д., Троицкий С.В. Testing universal dark-matter caustic rings with galactic rotation curves Physics Letters B, Volume 839, 137798 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.physletb.2023.137798

2. Левков Д.Г., Маслов В.Е. Analytic description of monodromy oscillons Physical Review D, 108, 063514 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1103/PhysRevD.108.063514