Темная материя может оказаться массивной

Сообщество физиков тридцать лет искало и не нашло никаких доказательств того, что темная материя состоит из крошечных экзотических частиц. Физики-теоретики из Case Western Reserve University предложили ученым поискать кандидатов в привычном царстве Стандартной теории, которые, очевидно, будут более массивными.

Темная материя — это невидимая материя, которая при взаимодействии с обычной материей создает гравитационное притяжение, что среди прочего не дает вращающимся галактикам разлететься. Физики оценивают содержание темной материи во Вселенной в 27% (обычная материя составляет порядка 5%).

Вместо вимпов (WIMP), слабо взаимодействующих массивных частиц, или аксионов, слабо взаимодействующих маломассивных частиц, темная материя может состоять из макроскопических объектов, от нескольких граммов до размеров хорошего астероида. Также она может быть такой же плотной, как нейтронная звезда или ядро атома, пишет Phys.org.

Профессора физики Гленн Старкмен и Дэвид Джейкобс из Университета Кейптауна опубликовали работу, которую можно считать руководством по поиску темной материи. Макросы, как их называют Старкмен и Джейкобс, не только не будут похожи на карликовые вимпы и аксионы, но и отличаться в важных аспектах. Потенциально они могут быть собраны из частиц Стандартной модели элементарных частиц и не требуют новой физики, объясняющей их существование.

«Мы долгое время искали вимпы и не видели их, — говорит Старкмен. — Мы ожидали увидеть вимпы на Большом адронном коллайдере, и у нас их нет».

Вимпы и аксионы остаются возможными кандидатами на темную материю, но есть веские причины продолжать искать в других местах, считают теоретики.

«Общество частично отказалось от идеи того, что темная материя могла бы быть сделана из обычных материалов в конце 80-х, — говорит Старкмен. — Мы задаемся вопросом, было ли это правильным и откуда мы можем знать, что темная материя не состоит из вполне заурядных вещей — например, из кварков и электронов?».

После того как источники обычной материи, включая горячие юпитеры, белые карлики, нейтронные звезды, звездные черные дыры, черные дыры в центрах галактик и нейтрино с массой, были исключены из списка возможных кандидатов, физики обратились к экзотической материи.

Материя, которая лежит где-то между обычной и экзотической материей, родственная нейтронным звездам или крупным ядрам, осталась, считает Старкмен. «Мы говорим родственная, поскольку они в значительной степени обладают примесью странных кварков, которые обычно очень недолго живут».

Хотя странные кварки являются крайне нестабильными, Старкмен указывает, что нейтроны также крайне нестабильны. Но в гелии, будучи связанными со стабильными протонами, нейтроны остаются стабильными.

«Это открывает возможность того, что стабильная странная черная материя, которая родилась в юной вселенной, и темная материя являются не более чем смесью странной ядерной материи или другими связанными состояниями кварков, или барионов, которые сами состоят из кварков». Такая темная материя вписывалась бы в Стандартную модель.

Макросы должны были бы собираться из обычных и странных кварков, или барионов, до распада странных кварков или барионов, и при температуре выше 3,5 триллионов градусов по Цельсию, что сравнимо с температурой в центре массивной сверхновой. Кварки должны были бы собираться с 90-процентной эффективностью, оставляя только 10% протонам и нейтронам, обнаруженным во Вселенной сегодня.

Пределы для возможной темной материи будут следующими:

• Минимум 55 грамм. Если темная материя была бы меньше, ее бы зафиксировали детекторы Skylab или она оставила бы следы в листах слюды.
• Максимум 10^24 граммов. Выше этого предела макросы были бы настолько массивными, что искривляли бы свет, что не могло остаться незамеченным.
• Таким образом, диапазон между 10^17 и 10^20 грамм на сантиметр нужно исключить из поиска, говорят теоретики. Темная материя в таком диапазоне была бы достаточно массивной для гравитационного линзирования и влияла бы на отдельные фотоны гамма-вспышек, что не ускользнуло бы от ученых.

Если темная материя находится в определенном диапазоне, есть причины того, что ее еще не заметили.

• При массе в 10^18 грамм макросы темной материи попадали бы в Землю раз в миллиард лет.
• При более низкой массе они бы попадали по Земле чаще, но могли не оставить узнаваемый след или сигнатуру.
• В диапазоне от 10^9 до 10^18 темная материя сталкивалась бы с Землей раз в год, не предоставляя никаких данных подземным детекторам темной материи.