В сторону «вимпы»: изучаем альтернативные теории темной материи
Стандартная модель космологии подсказывает нам, что лишь 4,9% Вселенной состоит из обычной материи (из той, что мы можем увидеть), в то время как остальная часть на 26,8% состоит из темной материи и на 68,3% из темной энергии. Как следует из названия этих понятий, мы не можем их увидеть, поэтому их существование должно вытекать из теоретических моделей, наблюдений крупномасштабной структуры Вселенной и очевидных гравитационных эффектов, которые проявляются на видимой материи.
С тех пор как об этом заговорили впервые, нехватки в предположениях о том, на что похожи частицы темной материи, конечно, не было. Не так давно многие ученые задумались о том, что темная материя состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц (вимпов, WIMP), которые примерно в 100 раз больше протона по массе, но взаимодействуют как нейтрино. Тем не менее все попытки найти вимпы с помощью экспериментов на ускорителях частиц ни к чему не привели. Поэтому ученые начали перебирать возможные альтернативы составу темной материи.
Современные космологические модели склонны считать, что масса темной материи лежит в пределах 100 ГэВ (гигаэлектронвольт), что соответствует пределам масс многих других частиц, которые взаимодействуют с помощью слабой ядерной силы. Существование такой частицы будет соответствовать суперсимметричному расширению Стандартной модели физики элементарных частиц. Кроме того, полагают, что такие частицы должны были родиться в горячей, плотной, ранней Вселенной, с массой-плотностью материи, которая оставалась неизменной и по сей день.
Однако текущие эксперименты по выявлению вимпов не обнаружили никаких конкретных доказательств существования таких частиц. Среди них были поиски продуктов аннигиляции вимпов (гамма-лучи, нейтрино и космические лучи) в ближайших галактиках и скоплениях, а также эксперименты по прямому обнаружению частиц с использованием суперколлайдеров вроде БАК.
По суперсимметрии, вимпы аннигилируют между собой, создавая каскад частиц и излучения, включая гамма-лучи средних энергий
Ничего не обнаружив, многие ученые решили отойти от парадигмы WIMP'ов и поискать темную материю в другом месте. Одна из таких групп космологов CERN и CP3-Origins в Дании недавно опубликовала исследование, показывающее, что темная материя может быть гораздо тяжелее и более слабо взаимодействовать, чем считалось ранее.
Один из членов исследовательской группы CP-3 Origins, доктор Маккаллен Сандора, рассказал об усилиях своей команды:
«Мы пока не можем исключить сценарий вимпов, но с каждым годом подозреваем все больше и больше, чем не видели ничего. Кроме того, обычная слабая шкала физики страдает от проблемы иерархии. Непонятно, почему все известные нам частицы такие легкие, особенно если смотреть по естественной шкале гравитации, по планковской шкале, которая составляет около 10 19 ГэВ. Поэтому если бы темная материя была ближе к планковским масштабам, на нее бы не влияла проблема иерархии, и это также объяснило бы то, почему мы не видели сигнатур, связанных с вимпами».
Используя новую модель, которую они называют планковской взаимодействующей темной материей (PIDM), ученые исследуют верхний предел массы темной материи. В то время как вимпы помещают массу темной материи на верхний предел электрослабой шкалы, датская исследовательская группа Мартиаса Гарни, Маккаллена Сандоры и Мартина Слота предложила частицу с массой, которая находится в совершенно другой природной шкале - планковской.
На шкале Планка одна единица массы эквивалентна 2,17645 х 10 -8 килограмма - примерно микрограмму, или в 10 19 раз больше массы протона. При такой массе, каждая PIDM, по сути, настолько тяжелая, насколько тяжелой может быть частица перед тем, как стать миниатюрной черной дырой. Группа также высказала предположение, что эти частицы PIDM взаимодействуют с обычной материей лишь гравитационно и что очень много их образовалось в самой ранней Вселенной в эпоху сильного нагрева - периода, который начался в конце инфляционной эпохи, где-то спустя от 10 -36 до 10 -33 или 10 -32 секунды после Большого Взрыва.
Эту эпоху называют так, потому что во время инфляции, как полагают, космические температуры упали в 100 000 раз. Когда инфляция закончилась, температуры вернулись к своему доинфляционному уровню (порядка 10 27 по Кельвину). К этому моменту большая часть потенциальной энергии инфляционного поля распалась на частицы Стандартной модели, которые заполнили Вселенную, и среди них - темная материя.
Естественно, новая теория приходит со своей долей последствий для космологов. К примеру, чтобы эта модель работала, температура эпохи нагрева должна была быть выше, чем полагают сейчас. Более того, более горячий период нагрева также привел бы к созданию большего числа первичных гравитационных волн, которые отразились бы в космическом микроволновом фоне (CMB).
«Такая высокая температура рассказывает нам две интересные вещи об инфляции, - говорит Сандора. - Если темная материя будет PIDM: первое - инфляция протекала при очень высоких энергиях, которые произвели бы не только флуктуации в температуре ранней Вселенной, но и в самом пространстве-времени, в форме гравитационных волн. Второе - она говорит нам, что энергия инфляции должна была распадаться на материю чрезвычайно быстро, поскольку если бы это заняло много времени, Вселенная могла остыть до того момента, после которого уже не смогла бы произвести PIDM вообще».
Существование этих гравитационных волн может быть подтверждено или исключено в ходе будущих исследований космического микроволнового фона. Это крайне интересная новость, поскольку недавнее открытие гравитационных волн, как ожидается, приведет к возобновлению попыток обнаружить первичные волны, которые уходят корнями в само сотворение Вселенной.
Как объяснил Сандора, все это представляет однозначно выигрышный сценарий для ученых, поскольку новейший кандидат в темную материю будет либо обнаружен, либо опровергнут в ближайшем будущем.
«Наш сценарий делает железобетонное предсказание: мы увидим гравитационные волны в следующем поколении экспериментов с космическим микроволновым фоном. То есть это беспроигрышный вариант: если мы их увидим, это прекрасно, а если не увидим, то будем знать, что темная материя не является PIDM, из чего следует, что нужно ожидать некоторое ее взаимодействие с обычной материей. Если же это все случится в ближайшие десять лет, нам остается лишь с нетерпением ждать».
С тех пор как Якобус Каптейн впервые предположил существование темной материи в 1922 году, ученые искали прямые подтверждения ее существования. Один за другим, кандидатуры среди частиц - от гравитино до аксионов - предлагались, отсеивались и уходили в сферу вечных поисков. Что ж, если этот последний кандидат будет однозначно опровергнут или подтвержден, такой вариант уже неплох.
Ведь если он будет подтвержден, мы решим одну из крупнейших космологических загадок всех времен. На шаг приблизимся к пониманию Вселенной и того, как ее загадочные силы взаимодействуют между собой.
