Nazwa Projektu: Ciemna materia i bariogeneza w wieloskładnikowych ciemnych sektorach oraz rozszerzonych modelach kosmologicznych

Akronim Projektu: SONATA BIS 11b

Budżet Projektu: 1 602 000 PLN

Czas trwania projektu: 01.09.2022- 31.08.2027

Kierownik Projektu: dr hab. Andrzej Hryczuk

Opis Projektu:

Tematem projektu jest teoretyczne badanie realistycznych ciemnych sektorów w bardzo Wczesnym Wszechświecie, z naciskiem na powiązania pomiędzy produkcją ciemnej materii (CM), podgrzaniem i bariogenezą. Projekt będzie badał powyższe powiązania z nowatorskim dodatkiem, jakim jest badanie ewolucji CM na poziomie funkcji rozkładu w przestrzeni fazowej. Takie podejście pozwala na dokładne uwzględnienie wszystkich możliwych odstępstw od stanu równowagi termodynamicznej. Podstawowym celem jest badanie kosmologii dla różnych modeli rozszerzeń Modelu Standardowego rozwijając nowe podejście do przewidywania produkcji ciemnej materii w takich scenariuszach. Dotyczy to efektów nierównowagowych, wpływu odstępstw od standardowego modelu kosmologicznego pomiędzy erami inflacji i pierwotnej nukleosyntezy, właściwego potraktowania termodynamiki ciemnego sektora i możliwego wkładu do produkcji CM podczas procesu podgrzania. Aby osiągnąć powyższy cel planowane jest rozwinięcie narzędzia DRAKE - niedawno opublikowanego nowatorskiego kodu numerycznego do obliczeń termicznej produkcji ciemnej materii poza równowagą kinetyczną - oraz dostarczenie kilku rozszerzeń jego możliwości. Kod pozwala na rozwiązanie zderzeniowego równania Boltzmanna na poziomie przestrzeni fazowej, obecnie dla jednego gatunku cząstek oddziałującego z plazmą termiczną. Rozszerzenie go na scenariusze wieloskładnikowe pomogłoby zbadać bardziej realistyczne modele i znacznie zwiększyć jego przydatność dla społeczności. Dlatego też, celem drugorzędnym jest dostarczenie wydajnego narzędzia, które będzie miało zastosowanie również daleko poza procesami badanymi w tym projekcie. Część proponowanego projektu będzie poświęcona badaniu produkcji CM przy różnych założeniach dotyczących tej nieznanej części historii termicznej. Szczególnie w przypadkach, gdy gęstość energii CM jest istotna dla ewolucji układu, a w szczególności, gdy nie można zaniedbać efektów nierównowagowych. Powyższe łączy się ze wspomnianymi scenariuszami z wieloskładnikowymi ciemnymi sektorami, zarówno z produkcją typu freeze-out jak i freeze-in. Badane będą również takie efekty jak tempo ekspansji Wszechświata, możliwe przejścia fazowe w ciemnym sektorze oraz bezpośrednia produkcja podczas podgrzania. Wreszcie, modele rozważane w trakcie projektu zostaną zbadane w pełni szczegółowo pod kątem wszelkich fenomenologicznych konsekwencji dla obecnych obserwacji, a zatem perspektyw ich wykrycia lub falsyfikacji. Znaczenie: Powstanie asymetrii barion-antybarion oraz natura ciemnej materii są jednymi z największych tajemnic kosmologii i fizyki cząstek. Proponowany projekt ma na celu poprowadzić do interesujących wyników dla obu tych dziedzin z potencjalnymi innymi zastosowaniami w przyszłości i konkretnymi wynikami fenomenologicznymi w dziedzinach astrofizyki fizyki i kosmologii. Rezultatem będzie
i) przeprowadzenie dokładnych badań wieloskładnikowych ciemnych sektorów z uwzględnieniem efektów nierównowagowych,
ii) wykorzystanie opracowanego podejścia do dokładnego zbadania modeli łączących CM z bariogenezą oraz
iii) stworzenie narzędzia pozwalającego na dokładne obliczenie rozkładu przestrzeni fazowej CM we wszystkich powyższych scenariuszach.