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Matéria Escura: o paradigma do WIMP
Física de Partículas Elementares I
Leandro J. Beraldo e Silva
Índice
Evidências experimentais; Partículas candidatas; Modelos de extensão do Modelo Padrão (MP); A abundância de ME; WIMPs.
Curvas de rotação
Gás
Disco estelar
Halo de ME
E. Corbelli, & P. Salucci (2000) - MNRAS, 311: 441–447
Bullet Cluster
D. Clowe et al (2006)- “A Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter” - ApJ 648 L109;
Do que é constituída a ME ? Candidatos do MP:
MAssive Compact Halo Objects (MACHOs): planetas gigantes, anãs-marrons, anãs-brancas, estrelas de nêutrons...;
Neutrinos (ME quante); ME quente X ME Fria;
Além do MP: Axions; WIMPs; ...
O que se sabe: interação gravitacional e sem interação eletromagnética.
Modelos de Extensão do MP
MP exige extensões em altas energias (acima de centenas de GeV);
Há vários modelos: Supersimetria; Dimensões-extra; …
Prevêem partículas massivas e fracamente interagentes.
Supersimetria: amplitudes típicas - aniquilação
G. Jungman, M. Kamionkowski, K. Griest - “Supersymmetric Dark Matter”(1996)
Supersimetria: amplitudes típicas - aniquilação
G. Jungman, M. Kamionkowski, K. Griest - “Supersymmetric Dark Matter”(1996)
Supersimetria: amplitudes típicas - aniquilação
⟨σ A v ⟩∼g4
M z2∼
α2
(90GeV)2∼5×10−26cm3 s−1 com
α=1
137(1GeV )
−2=0.4×10−27cm2 v∼3×1010 cm s−1
Aniquilações: relação com experiências de detecção indireta.
Supersimetria: amplitudes típicas - espalhamento
Amplitudes relacionadas às anteriores por Simetria de Crossing;
Espalhamento: relação com experiências de detecção direta.
G. Jungman, M. Kamionkowski, K. Griest - “Supersymmetric Dark Matter”(1996)
Voltando: propriedades gerais da ME
Estratégia: calcular evolução da abundância e igualar à observada
→ seção de choque característica; → WIMPs;
Partículas massivas em equilíbrio térmico no início do universo
Equilíbrio com plasma primordial (e-, e+, ν, bárions, γ)
Sem interação EM → equilíbrio se dá com interação intermediária: χχ− ↔ll−↔ γγ;
T µ a-1;
Para que equilíbrio se mantenha:
Quando Γ < H, cessa o equilíbrio e n∝a−3
Partículas massivas em equilíbrio térmico no início do universo
G. Jungman, M. Kamionkowski, K. Griest - “Supersymmetric Dark Matter”(1996)
Partículas massivas em equilíbrio térmico no início do universo
Eq. de Boltzmann: n(t); Abundância hoje: Para ser da ordem da abundância observada:
Portanto: partículas massivas e fracamente interagentes (WIMPs) são bons candidatos
Partículas previstas por extensões do MP são massivas e fracamente interagentes !
G. Jungman, M. Kamionkowski, K. Griest - “Supersymmetric Dark Matter”(1996)
⟨σ A v ⟩∼10−26cm3 s−1
Conclusões
Extensões do MP prevêem existência de partículas massivas e fracamente interagentes;
Abundância de ME observada pode ser explicada pela existência de partículas massivas e fracamente interagentes.
WIMPs podem resolver os dois problemas de uma só vez !
Bibliografia
E. Corbelli, & P. Salucci (2000), “The extended rotation curve and the dark matter halo of M33” - MNRAS, 311: 441–447
D. Clowe et al (2006)- “A Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter” - ApJ 648 L109;
G. Jungman, M. Kamionkowski, K. Griest (1996) - “Supersymmetric Dark Matter” - Phys.Rept. 267 (1996) 195-373
Evidências experimentais
Medidas de massa de objetos astrofísicos: efeitos gravitacionais X eletromagnéticos
Massa de aglomerados de galáxias; Curvas de rotação; Lentes gravitacionais; Bullet Cluster; Formação de estruturas.
Supersimetria: amplitudes típicas - aniquilação
G. Jungman, M. Kamionkowski, K. Griest - “Supersymmetric Dark Matter”(1996)