Сейчас известно, что вся изученная наукой и используемая в технологиях материя составляет лишь 5% содержимого Вселенной. Остальное состоит из двух неизвестных компонентов: тёмной материи (около 27%) и тёмной энергии (около 68%). Этот расчёт, подтверждённый десятилетия назад, продолжает удивлять как обычных людей, так и учёных.
Доказательства существования тёмной материи
В случае тёмной материи (ТМ) существует множество доказательств её реального существования, основанных на её гравитационном взаимодействии с обычной материей. Эти доказательства включают:
* кривые вращения звёзд в галактиках;
* расхождения в движении галактик в скоплениях;
* формирование крупномасштабных структур во Вселенной;
* космическое фоновое излучение, распределённое равномерно по всему пространству.
Несмотря на высокую степень уверенности в существовании ТМ, мы не знаем, что она собой представляет. Ранее предложенные модели потерпели неудачу.
Новое исследование
Новое исследование, проведённое учёными из Университета Сан-Паулу (USP) в Бразилии, предлагает модель неупругой ТМ, которая взаимодействует с обычной материей через векторного посредника, подобного фотону, но обладающего массой. Цель — открыть новое окно для наблюдений. Статья на эту тему опубликована в Journal of High Energy Physics.
«В этой работе мы рассматриваем модель ТМ, состоящую из тёмного сектора со светлыми частицами, которые слабо взаимодействуют с известными частицами Стандартной модели (СМ)», — говорит Ана Луиса Фогель, доктор философии в Институте физики (IF-USP) и первый автор статьи.
Поиск тёмной материи
Изначально поиск ТМ был сосредоточен на тяжёлых кандидатах с массами, намного превышающими массу электрона или даже самых тяжёлых частиц в СМ. Однако некоторые в научном сообществе переключили своё внимание на поиск лёгких частиц с чрезвычайно слабыми взаимодействиями.
«При рассмотрении новой модели ТМ первое, что нужно знать, — это то, как можно было произвести необходимое количество такого компонента. Это количество сейчас измеряется очень точно, например, с помощью данных о космическом фоновом излучении. И известно несколько механизмов, которые могли привести к генерации ТМ в ранней Вселенной», — говорит Фогель.
Одним из наиболее теоретически обоснованных механизмов является так называемый «термический замерзание». В физике элементарных частиц и космологии термический замерзание — это момент, когда определённые частицы отделяются от теплового резервуара, то есть взаимодействия, которые превращают эти частицы в другие частицы СМ, становятся недостаточными. После этого момента, поскольку нет процессов, которые могут изменить количество этих частиц, их обилие «замораживается», оставаясь практически неизменным.
«Этот механизм интересен и хорошо известен, поскольку у нас есть несколько примеров частиц СМ, чьё обилие было создано таким образом. Поэтому естественно предположить, что компоненты ТМ были созданы подобным механизмом», — комментирует исследователь.
Модель неупругой тёмной материи
В этой модели частицы-кандидаты ТМ находятся в «тепловом резервуаре» с частицами обычной материи вскоре после начала Вселенной. Другими словами, все частицы взаимодействуют очень быстро, чтобы иметь одинаковую температуру. По мере расширения и охлаждения Вселенной частицы теряют этот тепловой контакт. Этот процесс называется «замерзание».
«Точное время отделения зависит от вероятности взаимодействий между частицами ТМ и частицами СМ. Эта вероятность параметризуется переменной, которую мы называем сечением сигма-шока. Если сигма очень мала, частицы ТМ отделяются очень рано, и их обилие очень велико. И наоборот, если оно очень велико, ТМ остаётся в тепловом контакте дольше, аннигилируя себя в частицы СМ, так что, когда оно отделяется позже, у него недостаточно обилия», — отмечает Фогель.
В случае лёгкой ТМ взаимодействие с обычной материей происходит через портал. Другими словами, частицы ТМ не взаимодействуют напрямую со всеми частицами СМ, а скорее с частицей-посредником, которая облегчает взаимодействие между ТМ и СМ. Сечение сигма-шока этого взаимодействия пропорционально массе ТМ и обратно пропорционально массе частицы-посредника.
Таким образом, для существования лёгкого кандидата на уровне энергии ниже гигаэлектронвольт портал не может быть слишком тяжёлым. Поэтому бозоны СМ, которые опосредуют слабые взаимодействия (W+, W- и Z0), не могут функционировать как порталы. Необходимо ввести новую тёмную частицу для опосредования между ТМ и СМ.
«В нашей модели эта частица, которая опосредует связь между двумя секторами, является векторным бозоном (ZQ). Он ведёт себя как фотон, частица, которая опосредует электромагнитные взаимодействия, но у него есть масса. Кроме того, разница в этой модели заключается в том, что этот посредник также взаимодействует напрямую с другими частицами СМ», — говорит исследователь.
Этот посредник соединит частицы СМ с частицами ТМ. Согласно предложенной модели, существует два типа этих частиц: стабильная частица (χ₁), которая составляет саму ТМ, и немного более тяжёлая нестабильная частица (χ₂). Эти частицы всегда будут взаимодействовать с посредником ZQ вместе. Другими словами, посредник будет взаимодействовать с обоими одновременно. Это будет представлять собой особый тип ТМ, называемый «неупругой тёмной материей».
В дополнение χ₂ может распадаться на χ₁ и частицы СМ. Эта работа демонстрирует, что такие механизмы могут объяснить обилие ТМ во Вселенной, обходя экспериментальные ограничения, которые мешают её обнаружению.
«Стоит отметить, что такие модели, как наша, с неупругой ТМ, интересны, потому что, помимо объяснения эффективной генерации ТМ с помощью механизма замерзания, они также позволяют обойти текущие ограничения прямого и непрямого обнаружения, а также ограничения космологии», — объясняет Фогель.