Sobre la producción (minúscula) de materia oscura en supernovas

Se cree que la materia oscura está hecha de partículas, que interactúan con la materia solo de manera débil y gravitacional. Un candidato común para la materia oscura son los llamados WIMP . Los WIMP, específicamente, son pesados y pueden ser sus propias antipartículas.

Y como cualquier otra partícula, las partículas de materia oscura se pueden producir a energías suficientemente altas. Se desconoce la masa de partículas de materia oscura, pero se estima que es del orden - , que corresponde a temperaturas de - , a las cuales se puede esperar que se produzcan estas partículas. $1$ $100 \textrm{GeV}$ $T_{DM}\approx 10^{13}$ $10^{15}\textrm{K}$

Tales enormes temperaturas son apenas alcanzable en cualquier proceso astrofísicas razonables, pero decir en colapso de núcleo supernovas núcleo recién formado tiene temperaturas de , y probablemente más durante la fase de colapso. Entonces, una estimación cruda sugeriría que la cantidad de materia oscura producida es . O, en forma de número $T_{SN,after}\approx 10^{11}\textrm{K}$ $M_{DM}\approx e^{-T_{DM}/T_{SN,max}}M_\odot$ $\log_{10}(M_{DM}/\textrm{kg})=30.3-0.43(T_{DM}/T_{SN})$ . Esto significa que en la cantidad de materia oscura producida durante una supernova será de alrededor de un kilogramo. Dichas temperaturas son bastante accesibles para partículas de DM. Entonces, uno puede esperar optimistamente unos pocos kilogramos de materia oscura producida por supernova. $T_{SN}=1.4\cdot 10^{-2}T_{DM}$ $1 \textrm{GeV}$

Ahora la pregunta. ¿Cuál es la producción típica de materia oscura en las supernovas de colapso del núcleo? Me imagino que una buena respuesta sería una expansión más sólida de la estimación existente. Cualquier comentario constructivo es bienvenido.

dark-matter high-energy-astrophysics

— Alexey Bobrick
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Respuestas:

Los WIMPS más favorecidos en este momento son probablemente los neutralinos, ver http://en.wikipedia.org/wiki/Neutralino

Estas partículas son puramente hipotéticas en este momento. Las estimaciones de masa en el artículo de Wikipedia anterior para el rango neutralino más ligero entre 10 y 10,000 GeV, lo que significa que las tasas de producción en SN serán mucho más bajas que con un supuesto 1 GeV. Ya deberían haberse detectado tasas de producción más altas en LHC.

Por lo tanto, a partir de la no detección (en forma de pérdida de energía) de WIMPS en LHC, debería ser posible una estimación de un límite superior de las tasas de producción en SN.

— Gerald
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Todavía tendría curiosidad por saber tal estimación. ¿Son unas pocas partículas, o es un nanogramo que podríamos esperar, o está incluso en algún lugar por encima de las macroescalas? Otro punto que obstaculiza la producción, a excepción del rango de energía esperado, se debe, por supuesto, a las secciones cruzadas de reacción. También pueden ser bastante bajos.

— Alexey Bobrick

@AlexeyBobrick Una hipótesis es que DM WIMPS son productos de descomposición de partículas más pesadas. Los SN pueden alcanzar energías mucho más altas que el LHC, hasta aproximadamente 10e19 eV. Si la producción de WIMPS es así, las partículas cósmicas de alta energía pueden ser una fuente adicional de información. Esa es una esperanza que puedo dar para la producción de DM en SN, a pesar de la falta en LHC. Dudo en proporcionar números, porque existen demasiadas hipótesis no confirmadas. Todo puede estar mal.

— Gerald

cierto, y depende del modelo, por supuesto. Sin embargo, incluso una estimación aproximada para algún modelo particular sería interesante. Tenga en cuenta también que 1) los rayos cósmicos más energéticos probablemente no se producen en las supernovas, 2) es térmico, no el movimiento en masa, lo que es importante para las reacciones.

— Alexey Bobrick

Se cree que los rayos cósmicos más enérgicos observados se producen en un agujero negro "cercano", que aún no se ha confirmado. Pero si es así, esto también podría ocurrir en las supernovas que colapsan en un agujero negro, aunque hasta ahora no se pudo confirmar una buena correlación entre los GRB (que podrían estar asociados con los SN) y los CR de alta energía. Los rayos cósmicos de alta energía están restringidos en su viaje por el fondo de microondas cósmico desplazado en azul y la pérdida de energía asociada. Las ideas actuales de la formación de WIMP, por lo que puedo anticipar, tienden a la descomposición de partículas más pesadas.

— Gerald

... más o menos como la descomposición de los nucleones producen neutrinos. Una producción directa de neutralinos con una masa inferior a 100 GeV parece bastante improbable o al menos muy rara, más rara que las partículas de Higgs. Ahora se puede adivinar el peso de las partículas, que se descomponen en neutralinos u otros WIMPS, y buscar las probabilidades de que estas energías ocurran en los SN. Ahora esto tiene que multiplicarse con una sección transversal de reacción adivinada. Una decadencia hipotética de los WIMP debería ser sencilla. Pero aquí tenemos una secuencia de supuestos que multiplicarán las incertidumbres.

— Gerald

Hay varios tipos de supernovas y formas en que el núcleo puede colapsar. Tomemos un caso extremo en el que la fotodisintegración de rayos gamma destruye todos los elementos pesados (Si, Fe y Ni, etc.) y los divide en protones, neutrones y electrones. Cada núcleo libera toda su energía de unión, aproximadamente 9 MeV por masa de nucleón o 0.9% de la masa restante. Creo que la mayor parte de la energía sale en forma de neutrinos relativistas (el resto en energía cinética de los protones, neutrones y electrones). Entonces, un límite superior es que el 0.9% de la masa del núcleo termina en neutrinos. La masa en reposo de los neutrinos es mucho menor, pero la masa relativista es probablemente el número más relevante.

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

— eshaya
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