Стандартная модель космологии говорит нам, что только 4,9% Вселенной состоит из обычной материи (то есть того, что мы можем видеть), а остальная часть состоит из 26,8% темной материи и 68,3% темной энергии. Как следует из названий, мы не можем их видеть, поэтому их существование должно было быть сделано на основе теоретических моделей, наблюдений за крупномасштабной структурой Вселенной и ее очевидных гравитационных воздействий на видимую материю.
Так как это было впервые предложено, не было недостатка в предложениях относительно того, как выглядят частицы Темной Материи. Не так давно многие ученые предположили, что Dark Matter состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP), которые примерно в 100 раз больше массы протона, но взаимодействуют подобно нейтрино. Однако все попытки найти WIMP с помощью экспериментов на коллайдерах оказались тщетными. Поэтому ученые в последнее время изучают идею о том, что темная материя может состоять из чего-то совершенно другого.
Современные космологические модели имеют тенденцию предполагать, что масса темной материи составляет около 100 ГэВ (Гигаэлектровольт), что соответствует масштабу массы многих других частиц, которые взаимодействуют через слабую ядерную силу. Существование такой частицы соответствовало бы суперсимметричным расширениям Стандартной модели физики частиц. Кроме того, считается, что такие частицы были бы произведены в горячей, плотной, ранней Вселенной с массовой плотностью вещества, которая оставалась неизменной по сей день.
Однако продолжающиеся экспериментальные усилия по обнаружению WIMP не смогли дать каких-либо конкретных доказательств этих частиц. Они включают в себя поиск продуктов аннигиляции WIMP (то есть гамма-лучи, нейтрино и космические лучи) в близлежащих галактиках и скоплениях, а также эксперименты по прямому обнаружению с использованием суперколлайдеров, таких как Большой адронный коллайдер (LHC) CERN в Швейцарии.
Из-за этого многие исследовательские группы начали рассматривать выход за рамки парадигмы WIMP, чтобы найти Dark Matter. Одна такая команда состоит из группы космологов из CERN и CP3-Origins в Дании, которая недавно выпустила исследование, показывающее, что Dark Matter может быть намного тяжелее и гораздо менее взаимодействующим, чем считалось ранее.
Как сказал в интервью журналу Space Magazine доктор Маккаллен Сандора, один из членов исследовательской группы CP-3 Origins:
«Мы пока не можем исключить сценарий WIMP, но с каждым годом становится все больше подозрений, что мы ничего не видели. Кроме того, обычная физика слабых масштабов страдает от проблемы иерархии. Вот почему все частицы, о которых мы знаем, такие легкие, особенно в отношении естественного масштаба гравитации, масштаба Планка, который составляет около 1019 ГэВ. Таким образом, если бы темная материя была ближе к масштабу Планка, она не была бы затронута проблемой иерархии, и это также объяснило бы, почему мы не видели подписи, связанные с WIMP ».
Используя новую модель, которую они называют Planckian Interacting Dark Matter (PIDM), команда исследовала верхний предел массы темной материи. Принимая во внимание, что WIMP помещают массу темной материи в верхнюю границу электрослабого масштаба, датская исследовательская группа Мартиаса Гарни, Маккаллена Сандоры и Мартина С. Слота предложила частицу с массой, близкой к другой естественной шкале - шкале Планка.
На шкале Планка единица массы эквивалентна 2,17645 × 10-8 кг - примерно микрограмм или 1019 раз больше, чем масса протона. При такой массе каждый PIDM по существу настолько тяжел, насколько может быть частица, прежде чем превратится в миниатюрную черную дыру. Команда также теоретизирует, что эти частицы PIDM взаимодействуют с обычной материей только посредством гравитации, и что большое их количество образовалось в очень ранней Вселенной в эпоху «разогрева» - период, который произошел в конце Инфляционной эпохи, около 10-36 t0 10-33 или 10-32 секунд после Большого взрыва.
Эта эпоха носит так называемый характер, поскольку во время инфляции считается, что космические температуры упали в 100 000 раз или около того. Когда инфляция закончилась, температура вернулась к прединфляционной температуре (примерно 1027 K). В этот момент большая потенциальная энергия поля инфляции распалась на частицы Стандартной Модели, которые заполнили Вселенную, в которую входила бы Темная Материя.
Естественно, эта новая теория имеет свои последствия для космологов. Например, чтобы эта модель работала, температура эпохи разогрева должна была быть выше, чем предполагается в настоящее время. Более того, более горячий период нагрева также приведет к созданию более исконных гравитационных волн, которые будут видны на фоне космического микроволнового излучения (CMB).
«Такая высокая температура говорит нам две интересные вещи об инфляции», - говорит Сандора. «Если темная материя оказывается PIDM: во-первых, инфляция произошла при очень высокой энергии, что, в свою очередь, означает, что она способна вызывать не только колебания температуры ранней вселенной, но и самого пространства-времени, в виде гравитационных волн. Во-вторых, это говорит нам о том, что энергия инфляции должна была очень быстро распасться на материю, потому что если бы это заняло слишком много времени, вселенная остыла бы до такой степени, что она вообще не смогла бы произвести никаких PIDM ».
Существование этих гравитационных волн может быть подтверждено или исключено будущими исследованиями космического микроволнового фона (CMB). Это захватывающая новость, поскольку недавнее открытие гравитационных волн, как ожидается, приведет к новым попыткам обнаружить первичные волны, которые восходят к самому созданию Вселенной.
Как объяснила Сандора, это представляет беспроигрышный сценарий для ученых, так как это означает, что этот последний кандидат на Темную материю сможет доказать или опровергнуть в ближайшем будущем.
«Наш сценарий делает конкретный прогноз: мы увидим гравитационные волны в следующем поколении космических микроволновых фоновых экспериментов. Следовательно, это сценарий без потерь: если мы их видим, это здорово, и если мы их не видим, мы будем знать, что темная материя не является PIDM, что будет означать, что мы знаем, что она должна иметь некоторые дополнительные взаимодействия с обычным веществом. И все это произойдет в течение следующего десятилетия или около того, что дает нам много возможностей для ожидания ».
С тех пор, как Якобус Каптейн впервые предложил существование Dark Matter в 1922 году, ученые искали некоторые прямые доказательства его существования. И одна за другой, частицы-кандидаты - от гравитино и MACHOS до аксионов - были предложены, взвешены и признаны не нужными. Если ничего другого, то хорошо знать, что существование этой последней частицы-кандидата может быть доказано или исключено в ближайшем будущем.
И если это окажется правильным, мы разгадаем одну из величайших космологических загадок всех времен! Шаг ближе к истинному пониманию Вселенной и взаимодействию ее таинственных сил. Теория всего, мы здесь (или нет)!
