Теорії про походження темної матерії вказують на "дзеркальний світ" і межі Всесвіту

Два останні дослідження припускають природне виникнення таємничої речовини, пропонуючи «самодостатні та обчислювані сценарії».

Про це розповідають в Каліфорнійському університеті в Санта-Круз, передають OstanniPodii.com.

• Одна з теорій передбачає існування прихованої фізичної реальності з власними версіями частинок і сил, які породили крихітні стабільні об′єкти, схожі на чорні діри, що пояснюють всю темну матерію, яку ми "спостерігаємо" сьогодні.
• Інша теорія досліджує, чи може темна матерія бути продуктом власного розширення Всесвіту, створеним квантовим випромінюванням поблизу космічного горизонту під час короткої, але інтенсивної фази після інфляції.
• Обидві теорії пропонують перевірені, самодостатні рамки, засновані на відомій фізиці, продовжуючи традицію Каліфорнійського університету в Санта-Крузі поєднувати теорію частинок з явищами космічного масштабу для вирішення однієї з найбільших загадок науки.

Два останні дослідження професора Стефано Профумо з цього вишу пропонують теорії, які намагаються відповісти на одне з найфундаментальніших відкритих питань сучасної фізики: яка природа частинок темної матерії?

Наука надала переконливі докази існування таємничої речовини, яка становить 80% всієї матерії у Всесвіті. Наявність темної матерії пояснює, що саме утримує галактики разом і змушує їх обертатися. Такі відкриття, як великомасштабна структура Всесвіту та вимірювання космічного мікрохвильового фону, також доводять, що щось ще не визначене пронизує всю цю темряву.

Невідомими залишаються походження темної матерії та, отже, її властивості як частинки. Ці важливі питання в першу чергу стосуються теоретичних фізиків, таких як Профумо. У двох останніх роботах він підходить до цих питань з різних боків, але обидві зосереджені на ідеї, що темна матерія могла виникнути природним чином з умов у дуже ранньому Всесвіті, а не бути екзотичною новою частинкою, яка взаємодіє зі звичайною матерією якимось здатним до виявлення чином.

Тіньове походження

В останньому дослідженні, опублікованому 8 липня, розглядається питання, чи могла темна матерія утворитися в прихованому секторі — своєрідному «дзеркальному світі» з власними версіями частинок і сил. Хоча цей тіньовий сектор є повністю невидимим для людей, він підпорядковується багатьом фізичним законам, аналогічним тим, що діють у відомому нам Всесвіті.

Ця ідея натхненна квантовою хромодинамікою (КХД) — теорією, яка описує, як кварки зв′язані між собою всередині протонів і нейтронів сильною ядерною взаємодією. Університет Каліфорнії в Санта-Крузі має глибокі корені в цій галузі: почесний професор фізики Майкл Дайн був одним із піонерів теоретичних моделей, що включають КХД аксіон, провідного кандидата на роль темної матерії, а професор-дослідник Абе Сейден зробив внесок у великі експериментальні дослідження структури адронів — частинок, що складаються з кварків — в експериментах з фізики високих енергій.

У новій роботі Профумо сильна взаємодія відтворюється в темному секторі як теорія обмеження «темної КХД», з власними частинками — темними кварками та темними глюонами — що зв′язуються між собою, утворюючи важкі складені частинки, відомі як темні баріони. За певних умов у ранньому Всесвіті ці темні баріони могли стати достатньо щільними та масивними, щоб під дією власної гравітації колапсувати в надзвичайно малі, стабільні чорні діри — або об′єкти, що поводяться подібно до чорних дір.

Ці залишки, схожі на чорні діри, були б лише в кілька разів важчі за фундаментальну масу квантової гравітації, відому як «маса Планка», але якщо їх було б створено в потрібній кількості, вони могли б пояснити всю темну матерію, яку ми спостерігаємо сьогодні. Оскільки вони взаємодіяли б лише через гравітацію, вони були б повністю невидимі для детекторів частинок, але їхня присутність формувала б Всесвіт у найбільших масштабах.

Цей сценарій пропонує нову, перевірену основу, засновану на добре встановленій фізиці, одночасно розширюючи багаторічні дослідження Каліфорнійського університету в Санта-Крузі щодо того, як глибокі теоретичні принципи можуть допомогти пояснити одне з найбільших відкритих питань космології.

На горизонті

Інша недавня робота Профумо, опублікована в травні, досліджує, чи може темна матерія утворюватися внаслідок розширення «космічного горизонту» Всесвіту — по суті, космологічного еквівалента горизонту подій чорної діри.

У цій роботі ставиться питання: якщо Всесвіт пережив короткий період прискореного розширення після інфляції — менш екстремальний, ніж інфляція, але все ж швидший, ніж це дозволяють радіація або матерія — чи могла ця фаза сама по собі «випромінити» частинки в існування?

Використовуючи принципи квантової теорії поля в кривому просторі-часі, робота показує, що в результаті цього механізму може утворитися широкий діапазон мас темної матерії, залежно від температури та тривалості цієї фази. Важливо, що, за словами Профумо, це не вимагає жодних припущень щодо того, як взаємодіє темна матерія, а лише про те, що вона є стабільною та утворюється під дією гравітації. Ця ідея натхненна тим, як спостерігачі поблизу космічних горизонтів, таких як чорні діри, сприймають теплове випромінювання внаслідок квантових ефектів.

«Обидва механізми є вкрай спекулятивними, але вони пропонують самодостатні та обчислювані сценарії, які не покладаються на традиційні моделі темної матерії, що все більше зазнають тиску з боку нульових результатів експериментів», — сказав Профумо, заступник директора з теорії в Інституті фізики частинок в Санта-Крус.

Обидва дослідження були опубліковані в Physical Review D, провідному виданні Американського фізичного товариства з теоретичної фізики частинок.