В сторону «вімпи»: вивчаємо альтернативні теорії темної матерії

dark_matter1-e1416001438794-580x428
Стандартна модель космології підказує нам, що лише 4,9% Всесвіту складається зі звичайної матерії (з тієї, що ми можемо побачити), в той час як інша частина на 26,8% складається з темної матерії і на 68,3% з темної енергії. Як випливає з назви цих понять, ми не можемо їх побачити, тому їх існування має випливати з теоретичних моделей, спостережень великомасштабної структури Всесвіту і очевидних гравітаційних ефектів, які проявляються на видимої матерії.

З тих пір як про це заговорили вперше, нестачі в припущеннях про те, на що схожі частинки темної матерії, звичайно, не було. Не так давно багато вчених задумалися про те, що темна матерія складається з слабо взаємодіючих масивних частинок (вімпів, WIMP), які приблизно в 100 разів більше протона по масі, але взаємодіють як нейтрино. Проте всі спроби знайти вімпи за допомогою експериментів на прискорювачах частинок ні до чого не привели. Тому вчені почали перебирати можливі альтернативи складу темної матерії.

Сучасні космологічні моделі схильні вважати, що маса темної матерії лежить в межах 100 ГеВ (гігаелектронвольт), що відповідає межам мас багатьох інших частинок, які взаємодіють за допомогою слабкої ядерної сили. Існування такої частки буде відповідати суперсиметричних розширенню Стандартної моделі фізики елементарних частинок. Крім того, вважають, що такі частинки повинні були народитися в гарячій, щільною, ранньому Всесвіті, з масою-щільністю матерії, яка залишалася незмінною і до цього дня.

Однак поточні експерименти по виявленню вімпів не виявили жодних конкретних доказів існування таких частинок. Серед них були пошуки продуктів анігіляції вімпів (гамма-промені, нейтрино і космічні промені) в найближчих галактиках і скупченнях, а також експерименти по прямому виявлення частинок з використанням суперколайдер начебто ВАК.
dark-universe-dark-matter-700x432
Нічого не знайшовши, багато вчених вирішили відійти від парадигми WIMP’ов і пошукати темну матерію в іншому місці. Одна з таких груп космологов CERN і CP3-Origins в Данії нещодавно опублікувала дослідження, що показує, що темна матерія може бути набагато важче і більш слабо взаємодіяти, ніж вважалося раніше.

Один з членів дослідницької групи CP-3 Origins, доктор МакКаллен Сандора, розповів про зусилля своєї команди:

«Ми поки не можемо виключити сценарій вімпів, але з кожним роком підозрюємо все більше і більше, що не бачили нічого. Крім того, звичайна слабка шкала фізики страждає від проблеми ієрархії. Незрозуміло, чому всі відомі нам частинки такі легкі, особливо якщо дивитися по природною шкалою гравітації, по планковской шкалою, яка становить близько 1019 ГеВ. Тому якби темна матерія була ближче до Планка масштабами, на неї б не впливала проблема ієрархії, і це також пояснило б то, чому ми не бачили сигнатур, пов’язаних з вімпами ».

Використовуючи нову модель, яку вони називають планковской взаємодіє темною матерією (PIDM), вчені досліджують верхня межа маси темної матерії. У той час як вімпи поміщають масу темної матерії на верхню межу електрослабкої шкали, датська дослідницька група Мартіаса Гарні, МакКаллен Сандори і Мартіна Слота запропонувала частку з масою, яка знаходиться в зовсім інший природного шкалою — планковской.

На шкалі Планка одна одиниця маси еквівалентна 2,17645 х 10-8 кілограма — приблизно мікрограмів, або в 1019 разів більше маси протона. При такій масі, кожна PIDM, по суті, настільки важка, наскільки важкою може бути частка перед тим, як стати мініатюрної чорною дірою. Група також висловила припущення, що ці частинки PIDM взаємодіють зі звичайною матерією лише гравітаційно і що дуже багато їх утворилося в самій ранній Всесвіту в епоху сильного нагріву — періоду, який почався в кінці інфляційної епохи, десь через від 10-36 до 10- 33 або 10-32 секунди після Великого Вибуху.

Цю епоху називають так, тому що під час інфляції, як вважають, космічні температури впали в 100 000 разів. Коли інфляція закінчилася, температури повернулися до свого доінфляціонному рівню (близько 1027 за Кельвіном). До цього моменту велика частина потенційної енергії інфляційного поля розпалася на частки Стандартної моделі, які заповнили Всесвіт, і серед них — темна матерія.

Природно, нова теорія приходить зі своєю часткою наслідків для космологів. Наприклад, щоб ця модель працювала, температура епохи нагріву повинна була бути вище, ніж вважають зараз. Більш того, більш гарячий період нагріву також призвів би до створення більшої кількості первинних гравітаційних хвиль, які відбилися б в космічному мікрохвильовому фоні (CMB).
wmap-cmb-map-580x290«Така висока температура розповідає нам дві цікаві речі про інфляцію, — говорить Сандора. — Якщо темна матерія буде PIDM: перше — інфляція проходила при дуже високих енергіях, які справили б не тільки флуктуації в температурі ранньому Всесвіті, а й в самому просторі-часі, в формі гравітаційних хвиль. Друге — вона говорить нам, що енергія інфляції повинна була розпадатися на матерію надзвичайно швидко, оскільки якби це зайняло багато часу, Всесвіт міг охолонути до того моменту, після якого вже не змогла б зробити PIDM взагалі ».

Існування цих гравітаційних хвиль може бути підтверджено або виключено в ході майбутніх досліджень космічного мікрохвильового фону. Це вкрай цікава новина, оскільки недавнє відкриття гравітаційних хвиль, як очікується, призведе до відновлення спроб виявити первинні хвилі, які сягають корінням в саме створення Всесвіту.

Як пояснив Сандора, все це представляє однозначно виграшний сценарій для вчених, оскільки новітній кандидат в темну матерію буде або виявлений, або спростують в найближчому майбутньому.

«Наш сценарій робить залізобетонне пророцтво: ми побачимо гравітаційні хвилі в наступному поколінні експериментів з космічним мікрохвильовим фоном. Тобто це безпрограшний варіант: якщо ми їх побачимо, це прекрасно, а якщо не побачимо, то будемо знати, що темна матерія не є PIDM, з чого випливає, що потрібно чекати деяке її взаємодія зі звичайною матерією. Якщо ж це все станеться в найближчі десять років, нам залишається лише з нетерпінням чекати ».

З тих пір як Якобус Каптейн вперше припустив існування темної матерії в 1922 році, вчені шукали прямі підтвердження її існування. Один за іншим, кандидатури серед частинок — від гравітіно до аксионів — пропонувалися, відсівалися і йшли в сферу вічних пошуків. Що ж, якщо цей останній кандидат буде однозначно спростують або підтверджений, такий варіант вже непоганий.

Адже якщо він буде підтверджений, ми вирішимо одну з найбільших космологічних загадок всіх часів. На крок наблизимося до розуміння Всесвіту і того, як її загадкові сили взаємодіють між собою.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *