¿Qué le da masa a las partículas de materia oscura?

Question

Suponiendo que la materia oscura no está hecho de WIMPs (weakly interacting massive particles), sino que interactúa sólo por la gravedad, lo que sería el posible mecanismo de dar masa a las partículas de materia oscura? Si no interactúan débilmente, que no podía llegar en masa a partir de la interacción con el campo de Higgs. La energía de las interacciones gravitacionales por sí sola no parece ser suficiente para dar cuenta de una gran masa de las partículas. ¿Esto implica que la materia oscura se compone de un número muy grande de partículas con una masa pequeña, tal vez mucho más pequeñas que la de los neutrinos? O necesitamos de la gravedad cuántica para explicar el origen de la masa de la materia oscura?

Answer 1

Creo que esta pregunta contiene un error de concepto por desgracia causada por la ciencia popular descripciones del Modelo Estándar.

La pregunta parece asumir que existe la necesidad de algunos de hormigón de origen que las partículas "get" de la masa a partir, como si la masa es un recurso como el dinero y el campo de Higgs está dando. Pero eso no es correcto. En un campo genérico de la teoría no es cuestión de agregar un nuevo campo $\psi$ cuyas partículas tienen masa. La única cosa que usted tiene que hacer es asegurarse de que el Lagrangiano tiene un término proporcional a $\psi^2$.

Usted podría quejarse de que esto viola la conservación de la energía debido a que la masa tiene que "vienen de" en algún lugar, pero eso no es correcto. La misa es el precio de la energía para la creación de una partícula. No tengo el dinero por el cambio de la etiqueta de un artículo en una tienda.

La razón de la ciencia popularizers decir que la masa debe venir de que el mecanismo de Higgs es debido a una peculiaridad del Modelo Estándar (SM). Las simetrías de la SM no permita que un término como el de $\psi^2$ para cualquier campo $\psi$ en el SM, por lo que necesitamos un truco para conseguir una masa plazo. En resumen, el campo de Higgs $\phi$ nos permite escribir los términos como $\phi \psi^2$ que hacer respetar la simetría. Este es un término de interacción, pero podemos configurar el Lagrangiano de modo que el campo de Higgs $\phi$ adquiere una parte constante, dando lugar a la $\psi^2$ masa plazo queríamos.

Sin embargo, una vez que empiece a especular acerca de la materia oscura modelos, especialmente de materia oscura que no se relaciona con las interacciones electrodébiles a todos, estas restricciones no se aplican genéricamente y no hay nada que prohibían $\psi^2$ plazo. No hay necesidad de ningún mecanismo especial para "dar" a la misa. Usted acaba de tratar de masa exactamente igual que hizo en la escuela secundaria, la introducción de la mecánica cuántica y la mecánica: lo escriba, llame a es $m$ y lo llaman un día.

Answer 2

Hay varias maneras en que la materia oscura podría adquirir masa que no tienen nada que ver con el modelo estándar fuerza débil. Por ejemplo, hay teorías que implican una ocultos sector - partículas que no interactúan con el modelo estándar de calibre bosones, pero tienen sus propias interacciones.

Tenga en cuenta que el mecanismo de Higgs no es necesaria para que toda la masa de la generación en el modelo estándar. La masiva bosones de gauge adquieren su masa a través del mecanismo de Higgs, pero hay modelos donde la fermionic masas son adquiridos a través de diferentes mecanismos. El origen de la masa de los neutrinos, en particular, es desconocido.

Sin saber lo que es la materia oscura, por supuesto, es imposible determinar cómo se adquiere la masa.

Si no tiene interacciones en todas, no hay necesidad de un mecanismo para adquirir la masa. Explícito términos de masa en el modelo estándar de Lagrange son sólo un problema porque se rompen medidor de simetría. Si un campo no tiene pareja para el medidor de campos, sus términos de masa no rompa la simetría gauge, y la masa sólo puede ser añadido para el Lagrangiano con la mano.

Answer 3

De: "Un libro Blanco sobre keV Neutrino Estéril Materia Oscura" (9 de Febrero de 2017), por más de 130 autores:

"Resumen Ejecutivo

A pesar de décadas de búsqueda, la naturaleza y el origen de la Materia Oscura (DM) sigue siendo uno de los mayores misterios de la física moderna. Observaciones astrofísicas a través de una amplia gama de escalas físicas y de todas las épocas, muestran claramente que el movimiento de los cuerpos celestes, la distorsión gravitacional de la luz y la formación de estructuras en el Universo no puede ser explicado por las conocidas leyes de la gravedad y observó la distribución de la materia $^{[1–7]}$.

Sin embargo, ellos pueden ser llevados a un muy buen acuerdo si se postula la presencia de grandes cantidades de no luminosa DM en y entre las galaxias, una sustancia que es mucho más abundante en el Universo de la materia ordinaria $^{[1]}$. Genérico ideas de lo que podría estar detrás de la DM, como Massive Compact Halo Objects (MACHOs) $^{[8–11]}$ son en gran parte descartado $^{[12, 13]}$ o al menos desfavorecidas $^{[14, 15]}$. Explicaciones alternativas basado en una modificación de la ley de la gravedad $^{[16]}$ no ha sido capaz de igualar las observaciones en diferentes escalas. Por lo tanto, la existencia de una o varias nuevas partículas elementales, parece ser el más atractivo de la explicación.

Como primer paso, la idoneidad de las partículas conocidas dentro de la probada Modelo Estándar (SM) ha sido examinado. De hecho, el neutro, la interacción débil, masiva neutrino, en principio, podría ser un DM candidato. Sin embargo, los neutrinos son tan ligero que incluso con el límite superior por su masa, $^{[17, 18]}$ que no podrían hacer todos los DM densidad de energía $^{[19]}$. Por otra parte, los neutrinos se producen con tan grandes (relativista) la velocidad que actuarían como caliente DM (HDM), la prevención de la formación de estructuras como galaxias o cúmulos de galaxias $^{[20]}$.

En consecuencia, explicando la DM en términos de una nueva partícula elemental, claramente requiere de la física más allá del SM. Hay varias extensiones propuestas para el SM, proporcionando una variedad adecuada de DM candidatos, pero hasta la fecha no hay evidencia clara de decirnos cual de estas es la correcta."

...

Referencias:

1. Planck colaboración, P. A. R. Ade et al., Planck 2015 resultados. XIII. Los parámetros cosmológicos, Astron. Astrophys. 594 (2016) A13, [1502.01589].
2. M. Persic, P. Salucci y F. Stel, El Universal, la rotación de la curva de la espiral de las galaxias: 1. La materia Oscura conexión, Mon. No. Roy. Astron. Soc. 281 (1996) 27, [astro-ph/9506004].
3. S. M. Faber y R. E. Jackson, dispersiones de Velocidad y la masa a la luz de los coeficientes de las galaxias elípticas, Astrophys. J. 204 (1976) 668.
4. N. Kaiser y G. Squires, la Asignación de la materia oscura con débil efecto de lente gravitacional, Astrophys. J. 404 (1993) 441-450.
5. D. Clowe, A. González y M. Markevitch, Débil masa del lente de la reconstrucción de la interacción de clúster 1E0657-558: evidencia Directa de la existencia de la materia oscura, Astrophys. J. 604 (2004) 596-603, [astro-ph/0312273].
6. W. J. Percival, S. Cole, D. J. Eisenstein, R. C. Nichol, J. A. Pavón, A. C. Pope et al., La medición de la Acústicas de Bariones Oscilación de la escala mediante el uso de la SDSS y 2dFGRS, Mon. No. Roy. Astron. Soc. 381 (2007) 1053-1066, [0705.3323].
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...

14. K. Griest, A. M. Cieplak y M. J. Lehner, los Nuevos Límites sobre el Agujero Negro Primordial de la Materia Oscura a partir de un Análisis de Kepler Fuente Microcristalinas de Datos, Phys. Apo. Lett. 111 (2013) 181302.
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20. S. D. M. Blanco, C. S. Frenk y M. Davis, la agrupación en Clústeres en un Neutrino Dominado Universo, Astrophys. J. 274 (1983) L1–L5.

Ver también: "La masa de la partícula de materia oscura de la teoría y las observaciones" (10 de abril de 2012), por de Vega, Salucci, y Sánchez, en página 12:

"9. Conclusiones

La materia oscura se caracteriza por dos cantidades: la DM masa de las partículas $m$ y el número de ultrarelativistic grados de libertad en la disociación $g_d$ (o, alternativamente, la disociación entre la temperatura $T_d$). Obtenemos los perfiles de densidad y las relaciones teóricas entre el $m$ $g_d$ que implica la observación de las densidades de ...

A partir de los valores observados de la densidad de la superficie presentamos aquí una clara evidencia de que la masa de la DM de la partícula es de aproximadamente uno o dos keV.".