Вчені створили нову модель темної матерії

Темна матерія залишається однією з найбільших загадок сучасної фізики. Зрозуміло, що вона повинна існувати, тому що без темної матерії, наприклад, не можна пояснити рух галактик. Але ніколи не вдавалося виявити темну матерію в експерименті. Наразі існує багато пропозицій щодо нових експериментів: вони спрямовані на виявлення темної матерії безпосередньо через її розсіювання на складових атомних ядер середовища виявлення, тобто протонів і нейтронів.

Команда дослідників — Роберт МакГіхі та Аарон Пірс з Університету Мічигану та Гіллі Елор з Університету Йоганна Гутенберга в Майнці в Німеччині — запропонувала нового кандидата на роль темної матерії: HYPER, або «високоінтерактивні реліквії частинок».

У моделі HYPER через деякий час після утворення темної матерії в ранньому Всесвіті сила її взаємодії зі звичайною матерією різко зростає, що, з одного боку, робить її потенційно виявленою сьогодні, і водночас може пояснити велику кількість темної матерії. справа.

Нове різноманіття в секторі темної матерії

Оскільки пошуки важких частинок темної матерії, або так званих WIMPS, ще не привели до успіху, дослідницька спільнота шукає альтернативні частинки темної матерії, особливо легші. В той самий час, як правило, очікуються фазові переходи в темному секторі — зрештою, у видимому секторі їх декілька, кажуть дослідники. Але попередні дослідження, як правило, нехтували ними.

«Не було узгодженої моделі темної матерії для діапазону мас, до якого сподіваються отримати доступ деякі заплановані експерименти. «Однак наша модель HYPER показує, що фазовий перехід насправді може допомогти зробити темну матерію легшою для виявлення», — сказав Елор, докторант з теоретичної фізики в JGU.

Завдання для відповідної моделі: якщо темна матерія надто сильно взаємодіє зі звичайною матерією, її (точно відома) кількість, утворена в ранньому Всесвіті, буде надто малою, що суперечить астрофізичним спостереженням. Однак, якщо вона виробляється в потрібній кількості, взаємодія буде занадто слабкою, щоб виявити темну матерію в сучасних експериментах.

«Наша центральна ідея, яка лежить в основі моделі HYPER, полягає в тому, що взаємодія різко змінюється один раз, тому ми можемо мати найкраще з обох світів: потрібну кількість темної матерії та велику взаємодію, щоб ми могли її виявити», — сказав МакГіхі.

І ось як це уявляють дослідники: у фізиці елементарних частинок взаємодія зазвичай опосередковується конкретною частинкою, так званим посередником, і так само взаємодія темної матерії з нормальною матерією. Як утворення темної матерії, так і функція її виявлення через цей посередник, при цьому сила взаємодії залежить від її маси: чим більша маса, тим слабша взаємодія.

Посередник спочатку повинен бути досить важким, щоб утворилася необхідна кількість темної матерії, а потім достатньо легким, щоб темну матерію взагалі можна було виявити. Рішення: після утворення темної матерії відбувся фазовий перехід, під час якого маса медіатора раптово зменшилася.

«Таким чином, з одного боку, кількість темної матерії залишається постійною, а з іншого боку, взаємодія підсилюється або посилюється таким чином, що темну матерію можна безпосередньо виявляти», — сказав Пірс

Нова модель покриває практично весь діапазон параметрів запланованих експериментів

«ГІПЕР-модель темної матерії здатна охопити майже весь діапазон, доступний завдяки новим експериментам», — сказав Елор.

Зокрема, дослідницька група вперше вважала, що максимальний переріз опосередкованої медіатором взаємодії з протонами та нейтронами атомного ядра відповідає астрологічним спостереженням і певним розпадам фізики частинок. Наступним кроком було розглянути, чи існує модель темної матерії, яка демонструє цю взаємодію.

«І тут ми придумали ідею фазового переходу», — сказав МакГіхі. «Потім ми обчислили кількість темної матерії, яка існує у Всесвіті, а потім змоделювали фазовий перехід за допомогою наших розрахунків».

Існує дуже багато обмежень, які слід враховувати, наприклад, постійна кількість темної матерії.

«Тут ми повинні систематично розглядати та включати дуже багато сценаріїв, наприклад, ставлячи питання, чи дійсно впевнено, що наш посередник раптово не призведе до утворення нової темної матерії, чого, звичайно, не повинно бути», — сказав Елор. . «Але зрештою ми переконалися, що наша модель HYPER працює».