Ранее существовавшая теория о тёмной материи получила новую жизнь благодаря идее об ультрарелятивистской заморозке.
Группа учёных под руководством Стивена Хенриха и Кита Олива из Университета Миннесоты предложила в журнале Physical Review Letters новую теорию происхождения тёмной материи. Согласно этой теории, быстро движущиеся частицы тёмной материи, похожие на нейтрино, могли отделиться от частиц Стандартной модели гораздо раньше, чем предполагалось ранее.
Тёмная материя составляет около 85% от общей массы Вселенной, но никогда не взаимодействовала с обычной материей, кроме как через гравитацию. Это делает её происхождение одной из самых устойчивых загадок в космологии.
История вопроса
В 1970-х годах физики считали, что тёмная материя может состоять из нейтрино — крошечных частиц без заряда, которые являются частью Стандартной модели, но взаимодействуют с другими частицами Стандартной модели крайне слабо.
Первоначальный сценарий «горячей заморозки» разыгрывался в эпоху ранней Вселенной, когда энергия определялась излучением, а экстремальные температуры означали, что нейтрино первоначально часто взаимодействовали с другими частицами Стандартной модели. По мере расширения и охлаждения Вселенной нейтрино отделились от других форм материи, сохранив при этом свои ультрарелятивистские скорости.
Однако в 1980-х годах дальнейшие расчёты показали, что такое «горячее тёмное вещество» быстро распределило бы энергию по ранней Вселенной, сгладив вариации плотности, необходимые для формирования первых галактик.
С тех пор идея об ультрарелятивистской заморозке в основном игнорировалась как жизнеспособный механизм образования тёмной материи. Вместо этого основными кандидатами на роль тёмной материи стали слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP) и едва взаимодействующие массивные частицы (FIMP). Обе эти теоретические частицы существуют за пределами Стандартной модели — и, несмотря на десятилетия интенсивных поисков, прямые обнаружения так и не были найдены.
Новая теория
В своём исследовании команда Хенриха пересмотрела теорию ультрарелятивистской заморозки (UFO), предположив, что этот процесс мог произойти даже раньше в истории Вселенной, чем считалось ранее.
Почти сразу после Большого взрыва Вселенная начала экспоненциально расширяться, и вся её энергия была заключена в едином квантовом поле (инфлатрон), что резко снизило её температуру. Расчёты команды показывают, что UFO мог произойти вскоре после окончания периода инфляции — в эпоху, названную «разогревом».
«Во время разогрева квантовое поле, ответственное за инфляцию, распадается на частицы излучения Стандартной модели», — описывает Хенрих. «Это радикально меняет способ производства тёмной материи».
Если ультрарелятивистские частицы тёмной материи отделились от частиц Стандартной модели ещё до того, как они начали формироваться из квантового поля, приводящего к инфляции, то, по предположению команды, эта тёмная материя, хотя и родилась горячей, имела достаточно времени, чтобы остыть в период доминирования излучения, не мешая формированию первых галактик.
«Мы также показали, что UFO является неизбежным промежуточным режимом между стандартными режимами WIMP и FIMP для многих типов взаимодействий», — добавляет Хенрих. Это означает, что ультрарелятивистские частицы тёмной материи будут взаимодействовать с обычной материей даже слабее, чем WIMP, хотя и не так слабо, как FIMP.
Впервые эта теория объясняет, почему тёмная материя UFO оставалась незаметной для наземных детекторов, одновременно позволяя формироваться самым ранним галактикам.
«Поскольку мы определили, какие массы тёмной материи и силы взаимодействия совместимы с этим механизмом, возможно, что текущие или будущие эксперименты по обнаружению тёмной материи смогут найти эту давно игнорируемую категорию кандидатов в тёмную материю», — говорит Хенрих.