Zur (winzigen) Produktion dunkler Materie in Supernovae

Es wird angenommen, dass dunkle Materie aus Partikeln besteht, die nur schwach und gravitativ mit Materie interagieren. Ein häufiger Kandidat für die Dunkle Materie sind sogenannte WIMPs . Insbesondere WIMPs sind schwer und können ihre eigenen Antiteilchen sein.

Und wie jedes andere Teilchen können Teilchen der dunklen Materie bei ausreichend hohen Energien erzeugt werden. Die Masse der Teilchen der dunklen Materie ist unbekannt, wird jedoch auf bis geschätzt , was Temperaturen von bis , bei denen zu erwarten ist, dass diese Teilchen erzeugt werden. $1$ $100 \textrm{GeV}$ $T_{DM}\approx 10^{13}$ $10^{15}\textrm{K}$

Solche enormen Temperaturen sind kaum erreichbar in irgendeinem vernünftigen astrophysikalische Prozesse, sondern Kernkollaps Supernovä neugebildeten Kern sagen bei Temperaturen von HAS , und wahrscheinlich während der Kollapsphase. Dann würde eine grobe Schätzung vorschlagen, dass die Menge der erzeugten dunklen Materie . Oder in Form von $T_{SN,after}\approx 10^{11}\textrm{K}$ $M_{DM}\approx e^{-T_{DM}/T_{SN,max}}M_\odot$ . Dies bedeutetdass bei die Menge der dunklen Materie während einer Supernova erzeugt wird etwa ein Kilogramm. Solche Temperaturen sind für DM-Partikelziemlich erreichbar. Man kann also optimistisch ein paar Kilogramm dunkler Materie pro Supernova erwarten. $\log_{10}(M_{DM}/\textrm{kg})=30.3-0.43(T_{DM}/T_{SN})$ $T_{SN}=1.4\cdot 10^{-2}T_{DM}$ $1 \textrm{GeV}$

Nun die Frage. Was ist eine typische Produktion dunkler Materie in Kernkollaps-Supernovae? Ich stelle mir vor, eine gute Antwort wäre eine robustere Erweiterung der bestehenden Schätzung. Alle konstruktiven Kommentare sind willkommen.

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— Alexey Bobrick
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Antworten:

Die derzeit am meisten bevorzugten WIMPS sind wahrscheinlich Neutralinos, siehe http://en.wikipedia.org/wiki/Neutralino

Diese Teilchen sind im Moment rein hypothetisch. Die Massenschätzungen in dem obigen Wikipedia-Artikel für den leichtesten Neutralino-Bereich liegen zwischen 10 und 10.000 GeV, was bedeutet, dass die Produktionsraten in SNs viel niedriger sein werden als mit einer angenommenen 1 GeV. Höhere Produktionsraten sollten bereits bei LHC festgestellt worden sein.

Daher sollte aus der Nichterkennung (in Form von Energieverlust) von WIMPS am LHC eine Schätzung einer Obergrenze der Produktionsraten in SNs möglich sein.

— Gerald
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Ich wäre immer noch gespannt auf eine solche Schätzung. Handelt es sich um einige wenige Partikel oder handelt es sich um ein Nanogramm, das wir erwarten könnten, oder liegt es sogar irgendwo über Makroskalen? Ein weiterer Punkt, der die Produktion mit Ausnahme des erwarteten Energiebereichs behindert, ist natürlich auf die Reaktionsquerschnitte zurückzuführen. Sie können auch eher niedrig sein.

— Alexey Bobrick

@AlexeyBobrick Eine Hypothese ist, dass DM WIMPS Zerfallsprodukte von schwereren Partikeln sind. SNs können viel höhere Energien als LHC erreichen, bis zu etwa 10e19 eV. Wenn die Herstellung von WIMPS auf diese Weise erfolgt, können hochenergetische kosmische Partikel eine zusätzliche Informationsquelle sein. Das ist eine Hoffnung, die ich für die DM-Produktion in SNs geben kann, trotz des Mangels an LHC. Ich zögere, Zahlen anzugeben, da zu viele unbestätigte Hypothesen existieren. Alles kann falsch sein.

— Gerald

wahr, und es ist natürlich modellabhängig. Interessant wäre jedoch auch eine grobe Schätzung für ein bestimmtes Modell. Beachten Sie auch, dass 1) die energiereichsten kosmischen Strahlen höchstwahrscheinlich nicht in Supernovae erzeugt werden, 2) es thermisch ist, nicht die Massenbewegung, die für Reaktionen wichtig ist.

— Alexey Bobrick

Es wird angenommen, dass die energiereichsten beobachteten kosmischen Strahlen an einem "nahe gelegenen" Schwarzen Loch erzeugt werden, was noch bestätigt werden muss. In diesem Fall könnte dies auch bei Supernovae auftreten, die zu einem Schwarzen Loch zusammenbrechen, obwohl eine gute Korrelation zwischen GRBs (die mit SNs assoziiert sein könnten) und hochenergetischen CRs bisher nicht bestätigt werden konnte. Hochenergetische kosmische Strahlen werden in ihrer Ausbreitung durch den blau verschobenen kosmischen Mikrowellenhintergrund und den damit verbundenen Energieverlust eingeschränkt. Die gegenwärtigen Vorstellungen von der Bildung von WIMPs tendieren, soweit ich ahnen kann, zum Zerfall schwererer Teilchen.

— Gerald

... ungefähr so wie der Zerfall von Nukleonen Neutrinos hervorbringt. Eine direkte Produktion von Neutralinos mit einer Masse unter 100 GeV erscheint eher unwahrscheinlich oder zumindest sehr selten, seltener als Higgs-Partikel. Man kann nun das Gewicht von Partikeln erraten, die in Neutralinos oder andere WIMPS zerfallen, und nach den Wahrscheinlichkeiten suchen, dass diese Energien in SNs auftreten. Dies muss nun mit einem erratenen Reaktionsquerschnitt multipliziert werden. Ein hypothetischer Zerfall zu WIMPs sollte dann unkompliziert sein. Aber hier haben wir eine Reihe von Annahmen, die die Unsicherheiten vervielfachen.

— Gerald

Es gibt verschiedene Arten von Supernova und Möglichkeiten, wie der Kern zusammenbrechen kann. Nehmen wir einen extremen Fall, in dem die Gammastrahlen-Photodesintegration alle schweren Elemente (Si, Fe und Ni usw.) zerstört und sie alle in Protonen, Neutronen und Elektronen aufspaltet. Jeder Kern setzt seine gesamte Bindungsenergie frei, etwa 9 MeV pro Nukleonmasse oder 0,9% der Restmasse. Ich glaube, der größte Teil der Energie kommt in Form von relativistischen Neutrinos (der Rest in kinetischer Energie der Protonen, Neutronen und Elektronen) heraus. Eine Obergrenze ist also, dass 0,9% der Masse des Kerns in Neutrinos enden. Die Ruhemasse der Neutrinos ist viel geringer, aber die relativistische Masse ist wahrscheinlich die relevantere Zahl.

$\Omega$ $\Omega_{stars}$ $\Omega$

— Eshaya
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