Кратко и по существу — сравнение по предсказуемости и тестируемости, затем ключевые наблюдения для различения.
1) WIMP (холодная слабовзаимодействующая частица)
- Предсказуемость: средняя. Теоретически понятна идея термального «замороженного» реликта; типичная цель — сечение аннигиляции термального реликта $⟨\sigma v⟩\sim 3\times 10^{-26}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^3/s$ и массы масштабов слабого взаимодействия ($m\sim \mathrm{GeV}\text{–}\mathrm{TeV}$), но модельное пространство очень велико (массы, каналы взаимодействий, спектр).
- Тестируемость: высокая на нескольких фронтах — прямые детекторы (WIMP–ядро упругое рассеяние: XENONnT, LZ), косвенные поиски (аннигиляционные продукты: гамма/антипротоны/нейтрино), коллайдеры (поиск невидимых распадов/меток). Экспериментальная чувствительность за последние годы сильно выросла; значительная часть «классического» WIMP-параметрического окна уже ограничена.
- Типичные предсказания/сигнатуры: ядерные реликвии в прямых детекторах, спектральные линии/избыточность в гамма/космических лучах, нестандартная структура малых масштабов если есть самовзаимодействия (SIDM).
2) Аксион (включая QCD-аксион и ультралёгкие «fuzzy»/ULDM)
- Предсказуемость: высокая для QCD-аксиона — связь массы и постоянной сечение/купол через шкалу $f_a$: приблизительно $m_a\sim 6\times 10^{-6}\mathrm{eV}(10^{12}\mathrm{GeV}/f_a)$. Для более общих лёгких аксионоподобных частиц (ALP) предсказуемость ниже (широкое пространство масс/связностей). Для ультралёгких полей ($m\sim 10^{-22}$ эВ) есть чёткие макроскопические эффекты волновой природы.
- Тестируемость: специфична и растёт. Эксперименты: галоcкопы/резонаторы (ADMX, HAYSTAC) для QCD-аксиона; солнечные гелиоскопы (IAXO), лабораторные фотон–фотон/свет–вакум эксперименты (ALPS), магнитные схемы, а также астрофизические ограничения (остывание звёзд, суперрадианс чёрных дыр). Для ULDM — астрономические тесты (солитонные ядра в карликах, подавление малых шкал).
- Типичные предсказания/сигнатуры: превращение аксиона ↔ фотон в магнитных полях, резонансные сигналы в микроволновых резонаторах, эффекты волнового характера (коэрентные структуры, солитоны, подавление структуры ниже длины де Бройля).
3) MOND / модифицированная гравитация (и релативистские расширения вроде TeVeS)
- Предсказуемость: высокая на галактических масштабах, низкая/сомнительная на космологических и кластерных. Простая формула со шкалой ускорения $a_0$ (эмпирически $a_0\sim 1.2\times 10^{-10}m/{\mathrm{s}}^2$) даёт прямые предсказания кривых вращения и соотношения Талера–Фишера без тёмной материи. Но теория плохо прогнозирует явления вне тех условий без дополнительных полей/компонентов.
- Тестируемость: сильна на уровне отдельных галактик (точные предсказания кривых вращения на основе распределения барионов), слаба/проблемна в кластерах и космологии — требуется дополнительные компоненты или сложные релативистские расширения, которые добавляют параметры и снижают «чистоту» теории. Есть уникальные предсказания (external field effect — EFE).
- Типичные проблемы/сигнатуры: успешные предсказания для спиральных галактик и Tully–Fisher; трудности с массой скоплений галактик, Bullet Cluster (разделение слабой гравитационной линзинговой массы и газа), CMB и ростом структуры.
Ключевые наблюдения и какие выводы они дадут (что различает модели)
- Прямые детекторы (WIMP–ядро): позитивный сигнал — сильная поддержка WIMP; длительное отсутствие сигналов ограничит/исключит широкий класс WIMP-моделей, но не опровергнет аксионы или MOND.
- Косвенные сигналы (гамма/антиматерия, линии): четкая линия/коррелированный сигнал от далеких объектов — поддержка частицного DM; отсутствие — ограничение на аннигиляционные сечения $⟨\sigma v⟩$.
- Коллайдеры (LHC): открытие стабильного невзаимодействующего тяжёлого состояния — в пользу частичного DM; отсутствие строго ограничивает модели.
- Аксионные галоcкопы/гелископы/астрофизика: обнаружение аксионного сигнала (ADMX, IAXO, CASPEr и т.д.) — прямое подтверждение аксионоподобной составляющей DM. Астроограничения (остывание звёзд, суперрадианс) могут исключить диапазоны масс/связей.
- Малые шкалы структуры (карликовые галактики, число сателлитов, профили плотности):
- Подавление малых шкал и солитонные ядра хорошо согласуются с ультралёгким аксионом/ULDM ($m\sim 10^{-22}$ эВ) или самовзаимодействующим DM;
- CDM/WIMP ожидает много субструктуры, центральные «cusp» (возможно решаемые барионной физикой).
- MOND естественно объясняет многие кривые вращения, но сталкивается с проблемами в некоторых карликах/средах с сильным внешним полем (EFE).
- Гравитационное линзирование в столкновениях скоплений (Bullet Cluster, Train Wreck): разделение массы и барионного газа указывает на наличие невзаимодействующей массы (в пользу DM); это ставит серьезную проблему для чистого MOND без дополнительного невзаимодействующего компонента.
- Космический микроволновой фон (CMB) и большие структуры: параметризация плотности тёмной материи (${\Omega }_c{h}^2$) и форма акустических пиков дают сильную поддержку CDM; MOND нуждается в дополнительных компонентax/механизмах чтобы воспроизвести CMB и рост структуры.
- Спиновые/квантовые эффекты и сверхрадианс: наблюдения быстрых вращающихся чёрных дыр накладывают ограничения на массы аксиона (суперрадианс исключает определённые массы), что помогает сужать пространство ALP/ULDM.
- Уникальные тесты MOND: проверка external field effect (EFE) — если влияние внешнего гравитационного поля предсказывает конкретные отклонения в динамике малых систем, это сильная подпись MOND и трудно воспроизводимая в DM-моделях.
Краткий вывод
- WIMP: теоретически привлекательны и высокотестируемы, но экспериментальные ограничения сильно сузили «классический» диапазон; прямое/косвенное/коллайдерное подтверждение было бы решающим.
- Аксион: хорошо предсказуемый в случае QCD-аксиона и разнообразно тестируемый (эксперименты и астрофизика); ULDM даёт уникальные астрофизические сигнатуры малого масштаба.
- MOND: очень предсказуем на галактических масштабах и успешно объясняет многие ротационные кривые; серьёзные трудности на уровне кластеров и космологии — требует дополнений, что снижает привлекательность как единой альтернативы DM.
Наблюдения, наиболее важные для различения моделей (приоритизация)
1. Прямые детекторы высокой чувствительности (WIMP).
2. Аксионные галоcкопы/гелископы и астрофизические ограничения (аксион).
3. Линзирование и столкновения скоплений (Bullet Cluster и аналоги) — ключ против чистого MOND.
4. CMB и крупномасштабная структура (активно дискриминируют MOND без дополнительных компонент).
5. Детальные карты малых структур (карликовые галактики, солитоны, флуктуации) — различают CDM, ULDM и SIDM.
6. Ограничения от сверхрадианса чёрных дыр и точные лабораторные/спиновые эксперименты (для ALP/аксионов).
Если нужно — могу кратко перечислить текущие сильнейшие ограничения по параметрам для каждой модели или предложить перечень конкретных экспериментов.