Тяжелая темная материя разрушает наше понимание Вселенной: что выяснили физики

Физики пришли к выводу, что темная материя не может быть слишком тяжелой, то есть состоять из очень массивных частиц, ведь это может разрушить понимание Вселенной. Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv, пишет Space.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Странные явления во Вселенной

Физики уже имеют много доказательств того, что во Вселенной происходит нечто странное. Звезды вращаются вокруг центра галактик слишком быстро. Сами галактики перемещаются внутри скоплений галактик слишком быстро. Крупномасштабные структуры во Вселенной растут слишком быстро. Если учитывать только обычную материю, то ее гравитации недостаточно для того, чтобы объяснить эти странные явления.

Поэтому большинство ученых считают, что все эти странности во Вселенной можно объяснить наличием темной материи, которая имеет массу, электрически нейтральна и почти никогда не взаимодействует с обычной материей. Считается, что темная материя составляет большую часть массы во Вселенной и ее примерно в 5 раз больше, чем материи, которую мы видим.

Масса частиц темной материи

Эксперименты, предназначенные для обнаружения редких взаимодействий между темной и обычной материей, не дали никаких результатов. Но эти эксперименты были сосредоточены на определенном диапазоне масс: примерно от 10 до 1000 гигаэлектронвольт (ГэВ). В данном диапазоне масс находятся самые тяжелые известные элементарные частицы, такие как истинный кварк и W-бозон.

Физики задались вопросом: может ли темная материя быть легче или тяжелее, чем мы думали? То есть может ли она состоять из более легких или более тяжелых частиц? Авторы исследования пришли к выводу, что темная материя не может быть слишком тяжелой, иначе это разрушит нашу лучшую модель Вселенной.

Темная материя очень редко взаимодействует с обычной материей. В самой ранней Вселенной, когда она была более горячей и плотной, такие взаимодействия происходили намного чаще. Когда Вселенная начала остывать и расширяться, то эти взаимодействия замедлились, а затем почти полностью прекратились, а потому темная материя оказалась невидимой.

Проблема тяжелой темной материи и бозон Хиггса

Существует множество моделей потенциальных элементарных частиц, из которых может состоять темная материя. Но эти частицы в большинстве своем взаимодействуют с обычными частицами с помощью бозона Хиггса. Это фундаментальная частица Вселенной, которая взаимодействует почти со всеми другими частицами и придает им массу. Физики уже знают примерную массу бозона Хиггса — 125 ГэВ. Авторы исследования обнаружили, что эта масса накладывает верхний предел на то, какую массу могут иметь частицы темной материи.

Проблема в том, бозон Хиггса взаимодействует как с темной материей, так и с обычной материей, и во многих моделях является связующим звеном между ними. Но оба вида материи также взаимодействуют с бозоном Хиггсом. Эти взаимодействия выглядят как небольшие изменения массы бозона Хиггса.

Физики выяснили, что если частицы темной материи имеют массу больше нескольких тысяч ГэВ, то их вклад в изменение массы бозона Хиггса будет чрезвычайно большим. Поскольку бозон Хиггс играет важную роль в определении многих фундаментальных физических явлений, в таком случае он бы полностью отключил взаимодействия частиц.

Легкая темная материя

В то же время, как считают физики, темная материя может вообще не взаимодействовать с обычной материей, или же такое взаимодействие может происходить с помощью какого-то экзотического механизма, где не задействован бозон Хиггса.

С другой стороны, темная материя может быть легче, чем мы думаем, то есть состоять из очень легких частиц. Например, предполагается, что такими частицами могут быть сверхлегкие аксионы. В данном случае никаких разрушений модели Вселенной не должно произойти. Ученые считают, что если их выводы подтвердятся, то нужно искать частицы темной материи с малой, а не большой массой.

Как уже писал Фокус, странная физика новой галактики, которая в 32 раза больше Млечного Пути, бросает вызов теориям. Обнаруженная "проблемная" галактика не только огромная, но и очень загадочная.

Также Фокус писал о том, что согласно другому исследованию, в самом начале Вселенная создала основу для звезд и галактик без помощи гипотетического квантового поля, как предполагалось раньше.