Нелинейные объекты в аксионной и аксионоподобной темной материи

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 22-12-00215

НазваниеНелинейные объекты в аксионной и аксионоподобной темной материи

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 №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 слова аксионы, 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Левков Д.Г., Маслов В.Е., Нугаев Э.Я., Панин А.Г. An Effective Field Theory for Large Oscillons Springer, 12, 079 (год публикации - 2022)
10.1007/JHEP12(2022)079

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

3. 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)
10.1016/j.physletb.2023.137798

4. Ким Э., Нугаев Э. Effectively flat potential in the Friedberg–Lee–Sirlin model European Physical Journal C, 84:797, 10.1140/epjc/s10052-024-13167-w (год публикации - 2024)
10.1140/epjc/s10052-024-13167-w

5. Дмитриев А.С., Левков Д.Г., Панин А.Г., Ткачев И.И. Self-Similar Growth of Bose Stars Physical Review Letters, 132, 091001, 10.1103/PhysRevLett.132.091001 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevLett.132.091001

6. Давыдов Д., Либанов А. Constraints on axionlike ultralight dark matter from observations of the HL Tauri protoplanetary disk Physical Review D, 110, 103022, 10.1103/PhysRevD.110.103022 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevD.110.103022

7. Дмитриев А.С., Дмитриева Е.А., Панин А.Г. Scattering of linear waves on a soliton Pis’ma v ZhETF, vol. 119, iss. 5, pp. 388 – 389, 10.31857/S1234567824050100 (год публикации - 2024)
10.1134/S0021364024600319

8. Ким Э., Нугаев Э., Шнир Я. Large solitons flattened by small quantum corrections Physics Letters B, 856 (2024) 138881, 10.1016/j.physletb.2024.138881 (год публикации - 2024)
10.1016/j.physletb.2024.138881

Публикации

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

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Значительная часть работ в отчетном году была посвящена развитию открытого нами и опубликованного в 2024 году явления адиабатической автомодельности. Первые аналитические результаты здесь нами были получены для для роста бозе-звезд в исходно однородном и самогравитирующем "газе" частиц темной материи. Представляется однако, что разработанный нами «адиабатический» подход к самоподобию может представлять интерес для кинетической теории в целом и будет справедлив для широкого круга задач. Ряд таких задач нами был рассмотрен в ходе дальнейшего выполнения Проекта в отчетном году. Нами было получено обобщение кинетического уравнения для бозе-газа с гравитационным самодействием на неоднородную и неизотропную систему. В однородном и изотропном случае функция распределения частиц зависит только от энергии и времени, а все остальные поля являются только функциями времени. В новом же уравнении аргументом функции распределения вместо энергии является определенный адиабатический инвариант, а плотность массы и гравитационный потенциал становятся функциями радиуса и времени. Мы обнаружили, что новые «усредненные по траекториям» уравнения допускают глобальную автомодельность, при которой определенным преобразованиям подобия подвергается не только функция распределения, но одновременно и все поля (плотность массы и гравитационнный потенциал) как функции радиуса. Это неожиданный, новый и очень важный результат. В предположении, что глобальная автомодельность реализуется, мы решили задачу роста Бозе-звезд аналитически в реалистическом гало темной материи. Результат выражается через определенные глобальные параметры гало темной материи: полную массу, вириальный радиус и вириальную скорость. Исследуя кинетические уравнения, записанные в самом общем виде для однородных систем, мы нашли обобщение уравнений «адиабатического самоподобия» на общий случай произвольного числа пространственных измерений, числа частиц, участвующих во взаимодействии, дисперсионного соотношения и закона масштабирования матричного элемента взаимодействия. Как частный случай этого исследования и в рамках разработанного нами подхода, основанного на адиабатическом самоподобии, мы нашли также аналитическое решение, описывающее эволюцию систем, контролируемую только контактным самодействием. Были изучены классические неоднородные стационарные конфигурации классического скалярного с помощью систематически построенной эффективной теории. Метод эффективного действия первоначально был разработан в квантовой теории поля для учета петлевых поправок к функциям Грина. Впоследствии он стал серьезным инструментом для построения низкоэнергетической теории в физике частиц. Нами была изучена перенормируемая теория с большой иерархией массовых параметров, которая была предложена Фридбергом, Ли и Сирлиным для построения нетопологических солитонов. В эффективной теории можно отынтегрировать тяжелое вещественное поле. После этого в низкоэнергетическом пределе по-прежнему существуют солитоны -- Q-шары. Мы аналитически изучили соответствие между характеристиками солитонов в полной и эффективной теории и численно проверили наши результаты. Перенормируемость модели Фридберга-Ли-Сирлина позволяет систематически учесть квантовые поправки. Плоский потенциал, возникающий в эффективной неперенормируемой теории существенным образом изменяется, особенно при больших значениях поля. Это важно для Q-шаров с большим зарядом, которые часто обсуждаются в космологии в контексте темной материи. Было показано, что для стационарных решений возникает минимальная частота осцилляций поля. Этот результат аналогичен возникновению массового масштаба в теории Коулмена-Вайнберга. Построенную эффективную теорию возможно использовать для описания нестационарных явлений. В частности, был изучен вопрос описания поглощения непрерывного потока частиц солитоном, моделирующим процесс роста бозе-звезд. Уменьшение числа полевых степеней свободы существенно упрощает задачу. В дальнейшем, мы планируем обобщить наши результаты для описания дальнодействующих взаимодействий. https://www.trv-science.ru/2024/01/vzryvayushhiesya-bose-asteroidy/ https://www.gazeta.ru/science/news/2024/02/08/22285891.shtml

Публикации

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

Возможность практического использования результатов
Разработанные в ходе проекта аналитические и численные методы могут быть использованы для решения задач фундаментальной физики и астрофизики. Участвующие в проекте студенты и аспиранты получили высокую квалификацию, а старшие члены коллектива уже включают результаты проекта и разработанные методы в свои лекционные курсы.