Тёмная материя остаётся одной из величайших загадок современной физики. Ясно, что она должна существовать, потому что без тёмной материи, например, нельзя объяснить движение галактик. Но поиск тёмной материи на данный момент не увенчался успехом.
В настоящее время есть много предложений для новых экспериментов: они направлены на обнаружение тёмной материи непосредственно через её рассеяние на составляющих атомных ядер среды обнаружения, т. е. протонах и нейтронах.
Группа исследователей – Роберт МакГихи и Аарон Пирс из Мичиганского университета и Гилли Элор из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга в Германии – предложили нового кандидата на роль тёмной материи: HYPER, или “высокоинтерактивные реликвии частиц”.
В модели HYPER через некоторое время после образования тёмной материи в ранней Вселенной резко возрастает сила её взаимодействия с нормальной материей, что, с одной стороны, делает её потенциально обнаруживаемой сегодня и в то же время может объяснить обилие тёмной материи.
Новое разнообразие
Поскольку поиск тяжёлых частиц тёмной материи, или так называемых WIMPS, пока не привёл к успеху, исследовательское сообщество ищет альтернативные частицы тёмной материи, особенно более лёгкие. В то же время, как правило, можно ожидать фазовых переходов в тёмном секторе – в конце концов, в видимом секторе их несколько, говорят исследователи. Но предыдущие исследования, как правило, игнорировали их.
“Не существует согласованной модели тёмной материи для диапазона масс, к которому надеются получить доступ некоторые запланированные эксперименты. Однако наша модель HYPER показывает, что фазовый переход действительно может помочь сделать тёмную материю более легко обнаруживаемой”, – сказал Элор, исследователь с докторской степенью по теоретической физике в JGU.
Проблема подходящей модели: если тёмная материя слишком сильно взаимодействует с нормальной материей, её (точно известное) количество, образовавшееся в ранней Вселенной, будет слишком маленьким, что противоречит астрофизическим наблюдениям. Однако, если её производить в нужном количестве, взаимодействие, наоборот, будет слишком слабым для обнаружения тёмной материи в современных экспериментах.
“Наша центральная идея, которая лежит в основе модели HYPER, заключается в том, что взаимодействие резко меняется один раз, поэтому мы можем получить лучшее из обоих миров: нужное количество тёмной материи и большое взаимодействие, чтобы мы могли его обнаружить”, – сказал МакГихи.
Поиск тёмной материи
И вот как это представляют себе исследователи: в физике элементарных частиц взаимодействие обычно опосредовано конкретной частицей, так называемым посредником, – то же самое относится и к взаимодействию тёмной материи с нормальной материей. И образование тёмной материи можно обнаружить через этого посредника, причём сила взаимодействия зависит от её массы: чем больше масса, тем слабее взаимодействие.
Посредник должен сначала быть достаточно тяжёлым, чтобы образовалось правильное количество тёмной материи, а затем достаточно лёгким, чтобы тёмную материю вообще можно было обнаружить. Решение: после образования тёмной материи произошёл фазовый переход, во время которого масса посредника резко уменьшилась.
“Таким образом, с одной стороны, количество тёмной материи поддерживается постоянным, а с другой стороны, взаимодействие усиливается таким образом, что тёмную материю можно обнаружить напрямую”, – сказал Пирс.
Новая модель охватывает практически весь диапазон параметров планируемых экспериментов.
“Модель тёмной материи HYPER способна охватить почти весь диапазон, доступный благодаря новым экспериментам”, – сказал Элор.
В частности, исследовательская группа сначала считала, что максимальное сечение опосредованного посредником взаимодействия с протонами и нейтронами атомного ядра согласуется с астрофизическими наблюдениями и некоторыми распадами в физике элементарных частиц. Следующим шагом было рассмотрение вопроса о том, существует ли модель тёмной материи, демонстрирующая это взаимодействие.
“И здесь нам пришла в голову идея фазового перехода”, – сказал МакГихи. “Затем мы рассчитали количество тёмной материи, существующей во Вселенной, а после смоделировали фазовый переход, используя наши расчёты”.
Необходимо учитывать очень много ограничений, таких как, например, постоянное количество тёмной материи.
“Здесь мы должны систематически рассматривать и включать очень много сценариев, например, задавая вопрос, действительно ли точно известно, что наш посредник не приведёт к внезапному образованию новой тёмной материи, чего, конечно же, быть не должно”, – сказал Элор. “Но в итоге мы убедились, что наша модель HYPER работает и нами может быть проведён поиск тёмной материи”.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.