暗黒物質の2つの種？

この時点で、暗黒物質の存在の証拠は多くの方法で蓄積されています：

銀河の回転曲線に影響します
宇宙論で主要な役割を果たし、宇宙の構造の進化
広範囲のスケールでの重力レンズ効果により大量に予測される
銀河団のダイナミクスに影響を与えます

いくつか例を挙げます。

暗黒物質粒子の多くの既知の候補があります：WIMP、アクシオン、WISP、ニュートリノなど（実際、レンガでさえ、いくつかの他の考慮はそれらを除外しますが）。

質問は次のとおりです。なぜ、現象論的暗黒物質の原因が1種類の暗黒物質粒子だけであると予想するのでしょうか。

例えば、 CDMの宇宙論、標準宇宙モデルは、暗黒物質粒子の可能な性質を制約するために使用されている（非相対論的、遅い）コールドであると暗黒物質を必要とします。しかし、これは実際には暗黒物質がすべての天体物理学システムにとって寒いということを意味するものではありません。たとえば、銀河のハローは暖かい暗黒物質でできていて、d星銀河のハローは冷たい暗黒物質でできているかもしれません。 $\Lambda$

もちろん、ある種のモデルが最も単純なモデルであると言うかもしれません。反論は、実際には多くの種が存在する可能性があるということです。これは、天体物理モデルに大きな意味を持つ可能性があります。

質問を要約すると、現在使用されているすべてのモデルに存在する暗黒物質は1種類だけだと考えるのに、できれば観測に裏付けられた正当な理由はありますか？

— アレクセイ・ボブリック
ソース

とてもいい質問です！

— ディラトン

いくつかのこと。WISPとは何ですか？「レンガ」とはどういう意味ですか？また、コールドダークマターの「コールド」という言葉は、ダークマターが分離された時点では、非相対論的であることを意味します（光の速度に比べて遅い）。LCDMは大規模で非常によく構造を予測します。小さなスケールでは暖かいものは構造が少ないため、暖かい/熱い暗黒物質のようなものを考えるように動機づけるのは、小さなスケールでは不一致です。

— アストロマックス

しかし、これは良い質問だと思います。宇宙への暗黒物質の成分は、実際には複数のタイプの重い粒子である可能性があります。粒子が相互作用できる力を追加すると、これらのコンポーネントにエネルギーを出し入れするための手段が追加されます。暗黒物質は粒子の「種」の1つであるということは、最初に考えるのが最も自然なことです。

— アストロマックス

@astromax、ご意見ありがとうございます！たとえば、Wikiによると、WISPは、アクシオンなどの弱い相互作用のサブeV粒子を表します。レンガは冗談です。ただし、通常のレンガのように適切な間隔で重さのあるオブジェクトがある場合、それらは暗黒物質とほぼ正確に動的に動作します（重力以外の力はありません）。次に、「冷たい（遅い）」とは、相対論的でない速度を意味しますが、明確にするために追加します。

— アレクセイボブリック

@astromax、スケールを指摘してくれてありがとう。私は実際には、冷たくない暗黒物質、大規模な構造はそれよりもはるかにぼやけて見えることを念頭に置いていたため、暗黒物質が冷たくて小さい構造では特に重要であり、大きいほどそれほど重要ではないと結論付けました構造。不一致はどこから来たのかコメントできますか？そうでなければ、あなたのアイデアは合理的に見えます。それらを答えとしてもう少し精巧な形で見ることができてうれしいです。

— アレクセイボブリック

回答:

ホットダークマターは、非常に軽く、高速で移動する粒子から作られます。そのような粒子は、おそらくどの構造にも重力的に結合することはできませんが、むしろ宇宙全体に分散します。

しかし、暗黒物質は常に、何らかの可視構造に重力的に結合（または推測）します（たとえば、銀河クラスターの衝突に伴う暗黒物質の弱いレンズ検出/ 渦巻銀河の平面回転曲線 / 銀河クラスターの異常速度分散）目に見えるものとは関係ありませんが、それでも塊を形成します（以前は見えなかった銀河団の弱いレンズ検出）。それが暗黒物質が寒いと考えられる理由です。

さらに、両方のタイプには明確な区別があります。ダークマターのように「冷たすぎず、熱すぎない」ものはありません（脚注も参照）。ダークマターは、〜10 eV未満の粒子（ホットダークマター、ほとんどすべての場所に分散した明るい粒子でできている）または〜2 GeVを超える粒子（重い、遅い粒子が何らかの構造に重力的に結合している）のいずれかです。両方の制限は、候補粒子（ニュートリノまたはよりエキゾチックなもの）が、膨張する宇宙の問題のために密度パラメーターの実際の値に貢献できる最大量を課すときに見られます。

したがって、DMは重力的に結合（冷たいDM）または分散（熱いDM）のように見え、両方のタイプは明らかに異なります（10 ev対2 Gev）。観察は最初のケースに有利です。ただし、Cold Dark Matterは究極のソリューションではなく、依然としていくつかの問題に直面しています。

混合ソリューションの可能性に関して、それらの多くはすでに除外されています。マイクロレンズは、銀河ハローで目に見えないコンパクトなオブジェクト（褐色矮星、星、恒星ブラックホール）の可能性を除外している私たちの銀河系の周辺にだけでなく、銀河系外ドメインに。普通の物質（石、レンガ、ほこり）はおそらくあり得ません。そうでなければ、それらは熱くなり、再放射します。既知の粒子のエキゾチックなミックスは機能しません。

私たちが知っていると思うのは、まだ発見されていない重粒子でDMを作らなければならないということです。より複雑なモデル（例えば、粒子が付着しているように見える構造に応じて異なるタイプの粒子）を導入するには、正当化（つまり、現実によりよく一致する予測）が必要であり、まだ誰もそれを行うことができません。

備考ダークマター粒子は、いずれかから高温または低温タイプは、おそらく「スローダウン」することはできませんし、それらが相互作用電磁普通の事が好きではありませんので、それはなぜDMがあると言われている（例えば惑星を形成する）あまり凝集することを注意無衝突。落下する通常の物質が構造を形成する場所（原始星や降着円盤など）で、プロセスの非常に重要な部分は熱化、つまり多数の衝突による落下粒子のエネルギーの再分配です。これはダークマターでは起こりえません。

— エドゥアルド・ゲラス・バレラ
ソース

非常に良い答え:-)。たぶん、ダークマター粒子が潜在的に持っているもの質量に関する事柄が明らかにされるとすぐ ...けれども、個人的に私はむしろ別のヌル結果を期待して、巨大なメディアbrimboriumこのLUXのダークマターの結果ではなく、米国の意思決定のための口実として悪用されますについて行わことメーカーはいくつかの実験的な暗黒物質の研究をキャンセルする、TRFのコメンターは言ったように...：-/

— ディラトン

@ディラトンちょっとディラトン。TRFは素晴らしいブログです。今まで発見していませんでした。Lubosの執筆スタイルが大好きです。あなたとDimension10もそこにいます。

— エドゥアルドゲラスヴァレラ

@ディラトン私は今までルボスを発見していませんでした。彼のブログはすごいです、すごい！彼の投稿を読んで本当に楽しい時間を過ごしています。彼は皮肉で腐食性があり（私は地獄のように笑っています）、科学的な主張では非常に正確です（少なくとも物事のほとんどは私にとって新しいので、保守的です）。彼はロンとは異なるスタイルを持っていますが、それは別の「必須」です。あなたがそのリンクを投稿するまで、私はTRFに注意を払いませんでした。

— エドゥアルドゲラスヴァレラ

@EduardoGuerrasValeraはい、ルモロックス:-D！TRFを読むとき、私はしばしばスクリーンでコーヒーを吐きそうになります。彼は時々非常に面白い書き方をするので、彼は私をいつもLOLにしてくれます:-D。そしてもちろん、彼からクールな最先端の物理学を学ぶことは私にとっても非常に貴重で貴重です！

— ディラトン

@ディラトン、科学的事実を述べるとき、彼はロンよりも少し慎重で保守的であるという印象があり、それがより正確になります。ロンは、しばしば彼の知識と知性に自信を持って未知の領域に入ることを敢えてします。

— エドゥアルドゲラスヴァレラ

基本的に、答えはOccamのカミソリです。（観察）証拠がそれらを必要としない限り、最も単純な解決策を探し、複雑で不自然な解決策を避けてください。はい、2種類以上の暗黒物質粒子が存在する可能性があります。しかし、1つの種が優勢ではないソリューションでは微調整が必要であるため、好ましくありません。したがって、暗黒物質粒子の混合物に自然に付随する理論がない限り（Occamのカミソリが適用されない場合、高温物理と寒冷などの天体物理的意味に関して異なる特性を持つ）、1つの種のみが支配することを期待する必要があります。

そのような理論が証拠の説明に失敗した場合にのみ、複数のタイプの暗黒物質粒子を含むより複雑なモデルに進むのが理にかなっています。現在、私たちはその段階ではありません。

— ウォルター
ソース

まあ、私はほとんどの自然理論が実際に複数の種を予測すると思います。そして、オッカムのカミソリに関しては、ここでも当てはまりません。「A」、「B」、「A + B」という3つの異なる予測を与える理論を想像してください。これらはすべて実行可能です。その場合、「A + B」を考慮から除外することは絶対に正当化されません。ただし、それは正しいポイントです。パラメーターが多いほど、不確実性と微調整が多くなります。

— アレクセイボブリック

@AlexeyBobrick Occamのカミソリは、反対の説得力のある独立した証拠や理論がない限り、複数の異なるDM粒子タイプでプレイを開始すべきではないと述べています。ここで、理論は単なる単純なモデル（いじり回し）ではなく、より深い洞察から自然に現れる2つのDM種間の関係の予測です。したがって、「A + B」がこの意味での理論である場合、Occamのカミソリは適用されません。ただし、現時点では、複数の種を含むそのようなDM理論は現在真剣に検討されていません。

— ウォルター14年

はい、@ Walter、「A + B」はまさにこの意味での理論です。他の2つと同じように。実行される理由については、標準モデルの可能な拡張を確認してください。それが真剣に使用されない理由については、他の与えられた答えを確認してください。

— アレクセイボブリック14年

@AlexeyBobrickでは、理論上、2つの異なる（1つは熱い、1つは冷たい）DM粒子の種類がほぼ等しい比率で自然に含まれています（どちらも支配しないように）。他の答えは、そのような理論が真剣に考慮されない理由を説明しません。AFAIK、ホットパーティクルとコールドパーティクルの混合は現在除外できませんが、Occamのカミソリが使用されています。

— ウォルター14年

たとえば、超対称性。ただし、重要な点は、可能な拡張機能が互いに矛盾しないことです。他の答えによると、2つの主な微視的動機モデルは、ホットDMとコールドDMです。大規模な構造の観測は冷DMを支持し、宇宙論は両方に制限を与えます。したがって、大量の高温成分はありません。さらに、小規模DMではホットDMはあまり重要ではありません。ここでさらに検討する価値があると思いますか？

— アレクセイボブリック