В сторону «вимпы»: изучаем альтернативные теории темной материи

7 848 просмотров
Об авторе

Темная материя

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.

Темная материя

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 1019 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 1019 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 1027 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).

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.

В сторону «вимпы»: изучаем альтернативные теории темной материи

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

22 комментария

  1. Fernando Navarro

    http://www.astrogalaxy.ru/920.html
    А кто сказал что темная материя и темная энергия вообще существуют?
    Пока нет оснований обьявлять это 100% истинной, тем более если есть обьяснения попроще (привет бритве Оккама).

    • tonik

      Поддерживаю. Вот масса Земли и вообще Солнечной системы вполне соответствует наблюдаем у визуально количеству вещества. Где ещё 95% массы тёмной материи согласно теории (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

      • tonik

        Где ещё 95% массы? Почему они себя не проявляют в гравитационных эффектах? Или Солнечная система да и вся наша галактика особенные? (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

        • Kiryan

          Думается так: если взять в виду только простую материю и как пример нашу галактики или солнечную систему, то массы всех тел внутри системы не хватает, чтобы удержать ее в равновесии - все разлетится в разные стороны. Теория гравитации верна (константа) - значит не хватает массы (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

    • KADZE

      Что значит «кто сказал»? Здесь неоднократно писалось, что уже создают темную материю. Очень мало и дорого, и она распадается очень быстро, но ведь создают. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

    • Aldo

      вы должны понимать, что явления, называемые темной материей и темной энергией СУЩЕСТВУЮТ и это 100%, а объяснения - это уже другой вопрос, потому что никто не знает что это такое, именно поэтому эти явления так и назвали. это может быть все что угодно, вам просто говорят "ребята, мы тут кое что наблюдаем, но мы понятия не имеем что это такое". что вы разводите паранойю?

      • Fernando Navarro

        Вы из Свидетелей Иеговы? Это их стиль разговора.
        В таком стиле, как вы мне, так и я вам отвечу - я почти на 99% уверен, что нет никакой темной энергии и темной материи, что это все недочеты ОТО, ошибочность оценки являния "красного смещения".

        • Aldo

          ок. чтобы проще было точки над "и" поставить: что же такое по вашему тёмная материя и энергия в глазах учёных и что это для вас? (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

          • Fernando Navarro

            В глазах ученых это реальность, в моих математическая подгонка ОТО к интерпретации наблюдаемых являний.

            • Aldo

              ОТО отлично сходится с "видимыми" наблюдениями, почему тогда с тем, что не видно, не должно быть того же самого? не логично.

        • andvass

          Допустим, что красное смешение является ошибочным. И отбросим тогда темную энергию. Тогда попробуй объяснить, что удерживает галактики, почему в некоторых участках образуется гравитационное линзирование? (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

          • Fernando Navarro

            Обычная барионная материя.

            • Aldo

              по твоему барионная материя является причиной линзированя?

              • Fernando Navarro

                А почему она не может являтся причиной линзирования, если это гравитационный эфект?

                • Aldo

                  ну так теперь включи мозги, человек, - это может быть и барионная материя (раз тебя этот вариант устраивает), никто этого не отрицает, об этом тебе и толкуют всю дорогу, просто никто не знает что это такое.

                  • Fernando Navarro

                    Я их и не выключал, такая опция не присутсвует в наборе.
                    Общепринятое мнение в научном мире не сходится с моим, большинство считает, что темная материя не является барионной. Формулируйте четче то, что хотите сказать, а то по вашым словам написаным выше, казалось что у вас вызивает сомнения тот факт, что обычная материя может вызивать эффект гравитационного линзирования.
                    С того, что читал в нете, больше всего нравится версии Топтуновой о высокоионозваном газе.
                    Исследования последнего десятилетия показали несостоятельность этого традиционного возражения. Данные о составе газового гало нашей галактики, полученные с помощью УФ-трелескопа, говорят о том, что в галактике Млечный Путь практически все 100% материи это обычная барионная материя. Но только большая часть газа имеет очень высокую степень ионизации. Такой высокоионизованный газ, во-первых, слабо излучает, а, во-вторых, его излучение происходит в УФ-диапазоне. Подробнее об этом см. в статье "Скрытая масса. Что это такое".
                    https://i.ytimg.com/vi/8STZqhLsots/maxresdefault.jpg

                    P.S. Хотя скажу честно, до конца я не уверен ни в чем.

                    • Aldo

                      ну так он всё-таки излучает. что я хочу сказать: в данном случае люди просто набрасывают варианты, но факт остается фактом - там что-то есть и это что-то назвали темная материя, потому что нет точного консенсуса о том, что это такое. поэтому говорить "люди, одумайтесь, какая темная материя - там же "такая-то" материя" - бред.

  2. tabasko

    Взаимодействия материй. В общем определено!, не ясно их расхождения по массе и заполнению вселенной. То есть если в нашем мире всё понятно, то тёмная ( антиматерии) не реагирует на гравитацию, излучения, и прочим взаимодействиям с реальной обстановкой в нашем материальном мире( иначе анигиляции не избежать). Простыми словами - время и пространство в нашей реальности настолько растянуто, что реальная материя, участвует в многомилиардном процессе трансформации (с истечением времени) и при подсчёте в планковской величине всё стремится к нулю (в том числе и антиматерия) . разница только в задержке между резонансом. В герцах так сказать... (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.