Теории о происхождении темной материи указывают на "зеркальный мир" и границы Вселенной

Два последних исследования предполагают естественное возникновение таинственного вещества, предлагая «самодостаточные и вычислимые сценарии».

Об этом рассказывают в Калифорнийском университете в Санта-Круз, передают OstanniPodii.com.

• Одна из теорий предполагает существование скрытой физической реальности с собственными версиями частиц и сил, которые породили крошечные стабильные объекты, похожие на черные дыры , объясняющие всю темную материю, которую мы "наблюдаем" сегодня.
• Другая теория исследует, может ли темная материя быть продуктом собственного расширения Вселенной, созданным квантовым излучением вблизи космического горизонта во время короткой, но интенсивной фазы после инфляции.
• Обе теории предлагают проверенные, самодостаточные рамки, основанные на известной физике, продолжая традицию Калифорнийского университета в Санта-Крузе сочетать теорию частиц с явлениями космического масштаба для решения одной из величайших загадок науки.

Два последних исследования профессора Стефано Профумо из этого вуза предлагают теории, которые пытаются ответить на один из самых фундаментальных открытых вопросов современной физики: какова природа частиц темной материи?

Наука предоставила убедительные доказательства существования таинственного вещества, которое составляет 80% всей материи во Вселенной. Наличие темной материи объясняет, что именно удерживает галактики вместе и заставляет их вращаться. Такие открытия, как крупномасштабная структура Вселенной и измерение космического микроволнового фона, также доказывают, что что-то еще не определенное пронизывает всю эту тьму.

Неизвестными остаются происхождение темной материи и, следовательно, ее свойства как частицы. Эти важные вопросы в первую очередь касаются теоретических физиков, таких как Профумо. В двух последних работах он подходит к этим вопросам с разных сторон, но обе сосредоточены на идее, что темная материя могла возникнуть естественным образом из условий в очень ранней Вселенной, а не быть экзотической новой частицей, которая взаимодействует с обычной материей каким-то способным к обнаружению образом.

Тенистое происхождение

В последнем исследовании, опубликованном 8 июля, рассматривается вопрос, могла ли темная материя образоваться в скрытом секторе — своеобразном «зеркальном мире» с собственными версиями частиц и сил. Хотя этот теневой сектор полностью невидим для людей, он подчиняется многим физическим законам, аналогичным тем, которые действуют в известной нам Вселенной.

Эта идея вдохновлена квантовой хромодинамикой (КХД) — теорией, которая описывает, как кварки связаны между собой внутри протонов и нейтронов сильным ядерным взаимодействием. Университет Калифорнии в Санта-Крузе имеет глубокие корни в этой области: почетный профессор физики Майкл Дайн был одним из пионеров теоретических моделей, включающих КХД аксион, ведущего кандидата на роль темной материи, а профессор-исследователь Абе Сейден внес вклад в крупные экспериментальные исследования структуры адронов — частиц, состоящих из кварков — в экспериментах по физике высоких энергий.

В новой работе Профумо сильное взаимодействие воспроизводится в темном секторе как теория ограничения «темной КХД», с собственными частицами — темными кварками и темными глюонами — которые связываются между собой, образуя тяжелые составные частицы, известные как темные барионы. При определенных условиях в ранней Вселенной эти темные барионы могли стать достаточно плотными и массивными, чтобы под действием собственной гравитации коллапсировать в чрезвычайно малые, стабильные черные дыры — или объекты, которые ведут себя подобно черным дырам.

Эти остатки, похожие на черные дыры, были бы лишь в несколько раз тяжелее фундаментальной массы квантовой гравитации, известной как «масса Планка», но если бы их было создано в нужном количестве, они могли бы объяснить всю темную материю, которую мы наблюдаем сегодня. Поскольку они взаимодействовали бы только через гравитацию, они были бы полностью невидимы для детекторов частиц, но их присутствие формировало бы Вселенную в самых больших масштабах.

Этот сценарий предлагает новую, проверенную основу, основанную на хорошо установленной физике, одновременно расширяя многолетние исследования Калифорнийского университета в Санта-Крузе о том, как глубокие теоретические принципы могут помочь объяснить один из самых больших открытых вопросов космологии.

На горизонте

Другая недавняя работа Профумо, опубликованная в мае, исследует, может ли темная материя образовываться в результате расширения «космического горизонта» Вселенной — по сути, космологического эквивалента горизонта событий черной дыры.

В этой работе задается вопрос: если Вселенная пережила короткий период ускоренного расширения после инфляции — менее экстремальный, чем инфляция, но все же более быстрый, чем это позволяют радиация или материя — могла ли эта фаза сама по себе «излучить» частицы в существование?

Используя принципы квантовой теории поля в кривом пространстве-времени, работа показывает, что в результате этого механизма может образоваться широкий диапазон масс темной материи, в зависимости от температуры и продолжительности этой фазы. Важно, что, по словам Профумо, это не требует никаких предположений о том, как взаимодействует темная материя, а только о том, что она стабильна и образуется под действием гравитации. Эта идея вдохновлена тем, как наблюдатели вблизи космических горизонтов, таких как черные дыры, воспринимают тепловое излучение в результате квантовых эффектов.

«Оба механизма являются крайне спекулятивными, но они предлагают самодостаточные и вычислимые сценарии, которые не полагаются на традиционные модели темной материи, все больше подвергающиеся давлению со стороны нулевых результатов экспериментов», — сказал Профумо, заместитель директора по теории в Институте физики частиц в Санта-Крус.

Оба исследования были опубликованы в Physical Review D, ведущем издании Американского физического общества по теоретической физике частиц.

• Темная материя