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, которое равномерно распределено по всему пространству.
Несмотря на высокую степень уверенности в существовании ТМ, мы не знаем, что она собой представляет. Ранее предложенные модели потерпели неудачу.
Новая модель неупругой тёмной материи
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 лёгких частиц тёмной материи
Изначально поиск ТМ был сосредоточен на тяжёлых кандидатах с массами, намного превышающими массу электрона или даже самых тяжёлых частиц в СМ. Однако эксперименты, проведённые на Большом адронном коллайдере (БАК) в Европейской организации ядерных исследований (CERN), не обнаружили новых частиц, кроме тех, что уже известны в СМ.
Некоторые учёные переключили своё внимание на поиск лёгких частиц с чрезвычайно слабыми взаимодействиями. Идея заключалась в том, что такие частицы ещё не были обнаружены, потому что они очень слабо взаимодействуют с обычной материей.
Для изучения признаков этих частиц эксперименты должны были приблизиться к так называемой «границе интенсивности», то есть измерять связи и взаимодействия с возрастающей точностью, чтобы обнаружить любые несоответствия, которые могли бы сигнализировать о существовании чего-то нового.
Исследование движется в этом направлении.
«При рассмотрении новой модели ТМ первое, что нужно знать, — это то, как можно было произвести нужное 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.
Механизм «термической заморозки»
В физике элементарных частиц и космологии термическая заморозка — 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.
В этом механизме 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 «заморозкой».
«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 она отделяется позже, у неё 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.
«В нашем моделировании эта частица, которая опосредует взаимосвязь 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.
«Кроме того, χ₂ может распадаться на χ₁ и частицы СМ. Эта работа демонстрирует, что такие механизмы могут объяснить обилие ТМ во Вселенной, обходя экспериментальные ограничения, которые препятствуют её обнаружению», — объясняет Фогель.
Согласно исследователю, предложенная новая модель может служить альтернативой «ванильной» модели неупругой ТМ, которая рассматривает посредника, который не взаимодействует напрямую с частицами ТМ. В физике элементарных частиц «ваниль» используется для обозначения наиболее базовой и минималистичной версии модели с наименьшим количеством теоретических ингредиентов.
«„Ванильная“ модель уже практически исключена, потому что почти все параметры, которые воспроизводят правильное обилие ТМ, были отброшены экспериментальными поисками. Таким образом, основной целью нашей работы было показать, что, рассматривая простую модификацию этой модели — позволяя посредникам с прямыми, а не косвенными связями, — мы потенциально можем „спасти“ неупругую ТМ», — объясняет Фогель.
«Учитывая предложенные модели, мы сначала рассчитали обилие ТМ, используя процесс „заморозки“, и сделали код доступным онлайн, который позволяет воспроизводить эти расчёты, показывая области пространства параметров, которые производят неупругую ТМ для различных вариантов нагрузки Q с правильным обилием. После этого мы сосредоточились на ограничениях различных экспериментов», — добавляет Фогель.
Рената Зуканович Фуншал, профессор в IF-USP, советник Фогель, координатор исследования и соавтор статьи, резюмирует: «Использование более общих векторных посредников открывает новое окно для жизнеспособных моделей неупругой ТМ, с прямыми последствиями для скоростей распада, экспериментальных сигнатур и космологических ограничений».
Предоставлено: FAPESP.