Предложена новая модель темной материи

В новой модели фазовый переход в ранней Вселенной меняет силу взаимодействия между темной и нормальной материей.

Об этом рассказывают в Мичиганском университете, передают OstanniPodii.com.

Темная материя остается одной из самых больших загадок современной физики. Очевидно, что она должна существовать, поскольку без темной материи, например, невозможно объяснить движение галактик. Но обнаружить темную материю экспериментально до сих пор не удавалось.

В настоящее время существует множество предложений по проведению новых экспериментов: они направлены на обнаружение темной материи непосредственно через ее рассеивание от составляющих атомных ядер среды обнаружения, то есть протонов и нейтронов.

Группа исследователей — Роберт МакГи и Аарон Пирс из Мичиганского университета и Гилли Элор из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга (JGU) в Германии — предложила нового кандидата на темную материю: HYPER, или "HighlY Interactive ParticlE Relics" ("высокоинтерактивные реликвии частиц").

В модели HYPER через некоторое время после образования темной материи в ранней Вселенной сила ее взаимодействия с нормальной материей резко возрастает, что, с одной стороны, делает ее потенциально способной к обнаружению сегодня и одновременно позволяет объяснить большое количество темной материи.

На этом снимке космического телескопа "Хаббл" показано распределение темной материи в центре гигантского галактического скопления Abell 1689, которое содержит около 1000 галактик и триллионы звезд. Темная материя — это невидимая форма материи, на которую приходится большая часть массы Вселенной. "Хаббл" не может увидеть темную материю напрямую. Астрономы определили ее местоположение, проанализировав эффект гравитационного линзирования, когда свет от галактик, расположенных за Abell 1689, искажается из-за вмешательства материи внутри скопления. Исследователи использовали наблюдаемые положения 135 линзованных изображений 42 фоновых галактик для расчета местоположения и количества темной материи в скоплении. Они наложили карту предполагаемых концентраций темной материи, окрашенную в синий цвет, на изображение скопления, полученное с помощью Усовершенствованной камеры для наблюдений "Хаббла". Если бы гравитация скопления исходила только от видимых галактик, искажения от линзирования были бы намного слабее. Карта показывает, что самая плотная концентрация темной материи находится в ядре скопления. Abell 1689 находится на расстоянии 2,2 миллиарда световых лет от Земли.

Новое разнообразие в секторе темной материи

Поскольку поиски тяжелых частиц темной материи, или так называемых WIMPS, пока не увенчались успехом, исследовательское сообщество ищет альтернативные частицы темной материи, особенно легкие. В то же время, как правило, ожидаются фазовые переходы в темном секторе (*) — ведь в видимом секторе их несколько, говорят исследователи. Но в предыдущих исследованиях ими, как правило, пренебрегали.

«До сих пор не было последовательной модели темной материи для диапазона масс, к которому надеются получить доступ некоторые планируемые эксперименты. Однако наша модель HYPER показывает, что фазовый переход может помочь сделать темную материю более легкой для обнаружения», - говорит Элор, постдокторский исследователь теоретической физики в JGU.

Задача для соответствующей модели: если темная материя слишком сильно взаимодействует с нормальной материей, то ее (точно известное) количество, образовавшееся в ранней Вселенной, будет слишком малым, что противоречит астрофизическим наблюдениям. Однако если она образуется в нужном количестве, то взаимодействие, наоборот, будет слишком слабым, чтобы обнаружить темную материю в современных экспериментах.

«Наша центральная идея, которая лежит в основе модели HYPER, заключается в том, что взаимодействие резко меняется один раз, поэтому мы можем получить лучшее из обоих миров: нужное количество темной материи и большое взаимодействие, чтобы мы могли ее обнаружить», - сказал МакГи.

Именно так и представляют себе это исследователи: в физике частиц взаимодействие обычно опосредует определенная частица, так называемый медиатор, так же как и взаимодействие темной материи с нормальной материей. Как образование темной материи, так и ее обнаружение происходит через этот посредник, причем сила взаимодействия зависит от его массы: чем больше масса, тем слабее взаимодействие.

Медиатор должен быть в начале достаточно тяжелым, чтобы сформировалось нужное количество темной материи, а затем достаточно легким, чтобы темную материю вообще можно было обнаружить. Решение: после образования темной материи произошел фазовый переход, во время которого масса медиатора внезапно уменьшилась.

«Таким образом, с одной стороны, количество темной материи остается постоянным, а с другой стороны, взаимодействие усиливается или укрепляется таким образом, что темная материя должна быть непосредственно обнаруживаемой», - сказал Пирс.

Новая модель охватывает почти весь диапазон параметров запланированных экспериментов

«Модель темной материи HYPER способна охватить почти весь диапазон параметров, которые становятся доступными для новых экспериментов», - сказал Элор.

В частности, исследовательская группа сначала рассмотрела максимальное поперечное сечение опосредованного взаимодействия медиатора с протонами и нейтронами атомного ядра, которое согласуется с астрофизическими наблюдениями и некоторыми распадами в физике частиц. Следующим шагом было рассмотрение вопроса о том, существует ли модель темной материи, которая демонстрирует такое взаимодействие.

«И здесь мы пришли к идее фазового перехода», - сказал МакГи. «Затем мы рассчитали количество темной материи, которая существует во Вселенной, а затем смоделировали фазовый переход с помощью наших расчетов».

Необходимо учитывать множество ограничений, например, постоянное количество темной материи.

«Здесь нам приходится систематически рассматривать и включать очень много сценариев, например, задавать вопрос, действительно ли есть уверенность, что наш медиатор не приведет внезапно к образованию новой темной материи, чего, конечно же, не должно быть», - сказал Элор. «Но в конце концов мы убедились, что наша модель HYPER работает».

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.

* Объяснение: Темный сектор. В физике частиц темный сектор (также известный как скрытый сектор) представляет собой гипотетическую коллекцию еще ненаблюдаемых квантовых полей и соответствующих им гипотетических частиц. Взаимодействие между частицами темного сектора и частицами Стандартной модели является слабым, косвенным и обычно опосредуется через гравитацию или другие новые частицы. Примерами новых гипотетических частиц-посредников в этом классе теорий являются темный фотон, стерильное нейтрино и аксион. Во многих случаях скрытые сектора включают новую калибровочную группу, которая не зависит от калибровочной группы Стандартной модели. Темные сектора обычно предполагаются моделями из теории струн. Они могут быть актуальны как источник темной материи и нарушения суперсимметрии, решая аномалию мюона g-2 и аномалию распада бериллия-8.