Dark matter with long range vector-mediated interactions

Abstract

Tumeaine olemasolu kinnitavad mitmed sõltumatud vaatlused nagu galaktikate pöörlemiskõverad, kosmilise mikrolainelise taustkiirguse temperatuurikõikumiste ruumiline jaotus ja tumeaine poolt tekitatud gravitatsiooniläätse efekt. Kõigil neil vaatlustel on üks ühine tunnus: need tulenevad vaid tumeaine gravitatsioonilisest vastastikmõjust. Rohked katsed leida tumeda ja nähtava mateeria vahelisi mittegravitatsioonisi interaktsioone pole andnud tulemusi. Lihtsaimates mudelites koosneb tumeaine seega üht tüüpi nõrgalt interakteeruvatest massiivsetest osakestest. Teisest küljest, arvestades avastatud elementaarosakeste silmapaistvat mitmekesisust, pole põhjust eeldada, et viis kuuendiku aine massist universumis on kõige lihtsamate mudelite abil kirjeldatav. Käesolev doktoritöö seob dissertandi nelja publikatsiooni, mis käsitlevad elektromagentismi tüüpi vastastikmõjus osalevaid tumedaid osakesi. Selline vastastikmõju võib ilmneda siis, kui tumeainel on väga väike elektrilaeng, mida nimetatakse millilaenguks. Kui senini on kirjanduses käsitletud vaid millilaetud skalaarseid osakesi ja fermione, siis käesoleva doktoritöö raames uuriti ka millilaetud vektorbosoneid. Teise võimalusena võib tume sektor sisaldada niinimetatud tumedat footonit, mis vahendab tumedat elektromagnetilist vastastikmõju, mida tunnevad vaid tumedad osakesed. Sedalaadi tumeda interaktsiooni tulemusena võib kogu tumeaine või osa sellest eksisteerida plasmana. Kui mitteinterakteeruva tumeaine haolode põrgetel lendavad halod teineteisest läbi, siis tumeda plasma komponendi olemasolul tekivad lööklained, mis mõjutavad põrke tagajärjel tekkinud tumeaine massijaotust. Uurisime numbrilise simulatsiooni abil galaktikaparvede halode põrkeid olukorras, kus osa tumeainest käitub nagu plasma. Leidsime, et selle mudeli abil on võimalik kvalitatiivselt seletada galaktikaparvede põrgetel gravitatsiooniläätse efekti abil mõõdetud massijaotust.

The existence of dark matter follows from several independent astrophysical observations such as galactic rotation curves, the spatial distribution of temperature fluctuations of the cosmic microwave background and gravitational lensing. All these observations have one thing in common: they result solely from the gravitational interaction of dark matter. Numerous attempts to find interactions between the dark and visible sector besides the gravitational interaction have produced no results. Thus in the simplest models dark matter contain a single weakly interacting particle species. On the other hand, accounting for the remarkable diversity of the elementary particles discovered so far, there is no reason to believe that five sixths of matter in the universe obeys these simplest models. The thesis combines four publications considering dark sector particles with electromagnetism type interactions. Such an interaction can arise if the dark matter particles carry a very small electric charged dubbed the milli-charge. So far only milli-charged scalars and fermions have been considered in the literature. We extended the discussion to milli-charged vector bosons. Alternatively, the dark sector could contain its own dark photon mediating a dark electromagnetic force felt only by the dark sector particles. As a result of such an interaction, all or a fraction of dark matter could exist in a plasma state. If dark matter haloes composed of non-interacting dark matter will fly simply through each other, a dark plasma component can cause shocks that will have an impact on the dark matter distribution after the collision. We numerically studied galaxy cluster collisions in a scenario where a fraction of dark matter is in a plasma state. We found that this model can qualitatively reproduce the mass distribution observed in galaxy cluster collisions by weak lensing.