Запропоновано нову модель темної матерії

У новій моделі фазовий перехід у ранньому Всесвіті змінює силу взаємодії між темною й нормальною матерією.

Про це розповідають в Мічиганському університеті, передають OstanniPodii.com.

Темна матерія залишається однією з найбільших загадок сучасної фізики. Очевидно, що вона має існувати, оскільки без темної матерії, наприклад, неможливо пояснити рух галактик. Але виявити темну матерію експериментально досі не вдавалося.

Нині існує безліч пропозицій щодо проведення нових експериментів: вони спрямовані на виявлення темної матерії безпосередньо через її розсіювання від складових атомних ядер середовища виявлення, тобто протонів і нейтронів.

Група дослідників — Роберт МакГі та Аарон Пірс з Мічиганського університету та Гіллі Елор з Майнцського університету імені Йоганна Гутенберга (JGU) у Німеччині — запропонувала нового кандидата на темну матерію: HYPER, або "HighlY Interactive ParticlE Relics" ("високоінтерактивні реліквії частинок").

У моделі HYPER через деякий час після утворення темної матерії у ранньому Всесвіті сила її взаємодії з нормальною матерією різко зростає, що, з одного боку, робить її потенційно здатною до виявлення сьогодні й водночас дає змогу пояснити велику кількість темної матерії.

На цьому знімку космічного телескопа "Габбл" показано розподіл темної матерії в центрі гігантського галактичного скупчення Abell 1689, яке містить близько 1000 галактик і трильйони зірок. Темна матерія — це невидима форма матерії, на яку припадає більша частина маси Всесвіту. "Габбл" не може побачити темну матерію безпосередньо. Астрономи визначили її місце розташування, проаналізувавши ефект гравітаційного лінзування, коли світло від галактик, розташованих за Abell 1689, спотворюється через втручання матерії всередині скупчення. Дослідники використовували спостережувані положення 135 лінзованих зображень 42 фонових галактик для розрахунку місця розташування й кількості темної матерії у скупченні. Вони наклали карту передбачуваних концентрацій темної матерії, забарвлену в синій колір, на зображення скупчення, отримане за допомогою Вдосконаленої камери для спостережень "Габбла". Якби гравітація скупчення виходила тільки від видимих галактик, спотворення від лінзування були б набагато слабшими. Карта показує, що найщільніша концентрація темної матерії знаходиться в ядрі скупчення. Abell 1689 знаходиться на відстані 2,2 мільярда світлових років від Землі.

Нова різноманітність у секторі темної матерії

Оскільки пошуки важких частинок темної матерії, або так званих WIMPS, поки що не увінчалися успіхом, дослідницька спільнота шукає альтернативні частинки темної матерії, особливо легкі. Водночас як правило, очікуються фазові переходи в темному секторі (*) — адже у видимому секторі їх кілька, кажуть дослідники. Але в попередніх дослідженнях ними, як правило, нехтували.

“Досі не було послідовної моделі темної матерії для діапазону мас, до якого сподіваються отримати доступ деякі плановані експерименти. Однак наша модель HYPER показує, що фазовий перехід може допомогти зробити темну матерію легшою для виявлення”, - каже Елор, постдокторський дослідник теоретичної фізики в JGU.

Завдання для відповідної моделі: якщо темна матерія занадто сильно взаємодіє з нормальною матерією, то її (точно відома) кількість, що утворилася у ранньому Всесвіті, буде занадто малою, що суперечить астрофізичним спостереженням. Однак якщо вона утворюється в потрібній кількості, то взаємодія, навпаки, буде занадто слабкою, щоб виявити темну матерію у сучасних експериментах.

“Наша центральна ідея, яка лежить в основі моделі HYPER, полягає в тому, що взаємодія різко змінюється один раз, тож ми можемо отримати найкраще з обох світів: потрібну кількість темної матерії та велику взаємодію, щоб ми могли її виявити”, - сказав МакГі.

Саме так і уявляють собі це дослідники: у фізиці частинок взаємодію зазвичай опосередковує певна частинка, так званий медіатор, так само як і взаємодію темної матерії з нормальною матерією. Як утворення темної матерії, так і її виявлення відбувається через цей посередник, причому сила взаємодії залежить від його маси: що більша маса, то слабша взаємодія.

Медіатор має бути на початку досить важким, щоб сформувалася потрібна кількість темної матерії, а потім досить легким, щоб темну матерію взагалі можна було виявити. Рішення: після утворення темної матерії відбувся фазовий перехід, під час якого маса медіатора раптово зменшилася.

“Таким чином, з одного боку, кількість темної матерії залишається постійною, а з іншого боку, взаємодія посилюється або зміцнюється таким чином, що темна матерія повинна бути безпосередньо виявляною”, - сказав Пірс.

Нова модель охоплює майже весь діапазон параметрів запланованих експериментів

“Модель темної матерії HYPER здатна охопити майже весь діапазон параметрів, які стають доступними для нових експериментів”, - сказав Елор.

Зокрема, дослідницька група спершу розглянула максимальний поперечний переріз опосередкованої взаємодії медіатора з протонами та нейтронами атомного ядра, який узгоджується з астрофізичними спостереженнями та деякими розпадами у фізиці частинок. Наступним кроком був розгляд питання про те, чи існує модель темної матерії, яка демонструє таку взаємодію.

“І тут ми прийшли до ідеї фазового переходу”, - сказав МакГі. “Потім ми розрахували кількість темної матерії, яка існує у Всесвіті, а потім змоделювали фазовий перехід за допомогою наших розрахунків”.

Необхідно враховувати безліч обмежень, наприклад, постійну кількість темної матерії.

“Тут нам доводиться систематично розглядати та вмикати дуже багато сценаріїв, наприклад, ставити запитання, чи справді є впевненість, що наш медіатор не призведе раптово до утворення нової темної матерії, чого, звісно ж, не повинно бути”, - сказав Елор. “Але врешті-решт ми переконалися, що наша модель HYPER працює”.

Дослідження опубліковано в журналі Physical Review Letters.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.

* Пояснення: Темний сектор. У фізиці частинок темний сектор (також відомий як прихований сектор) являє собою гіпотетичну колекцію ще неспостережуваних квантових полів і відповідних їм гіпотетичних частинок. Взаємодія між частинками темного сектору та частинками Стандартної моделі є слабкою, непрямою й зазвичай опосередковується через гравітацію або інші нові частинки. Прикладами нових гіпотетичних частинок-посередників у цьому класі теорій є темний фотон, стерильне нейтрино та аксіон. У багатьох випадках приховані сектори включають нову калібрувальну групу, яка не залежить від калібрувальної групи Стандартної моделі. Темні сектори зазвичай передбачаються моделями з теорії струн. Вони можуть бути актуальні як джерело темної матерії та порушення суперсиметрії, вирішуючи аномалію мюона g-2 та аномалію розпаду берилію-8.