Важка темна матерія руйнує наше розуміння Всесвіту: що з'ясували фізики

Фізики дійшли висновку, що темна матерія не може бути занадто важкою, тобто складатися з дуже масивних частинок, адже це може зруйнувати розуміння Всесвіту. Дослідження опубліковано на сервері препринтів arXiv, пише Space.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Дивні явища у Всесвіті

Фізики вже мають багато доказів того, що у Всесвіті відбувається щось дивне. Зірки обертаються навколо центру галактик занадто швидко. Самі галактики переміщуються всередині скупчень галактик занадто швидко. Великомасштабні структури у Всесвіті зростають занадто швидко. Якщо враховувати тільки звичайну матерію, то її гравітації недостатньо для того, щоб пояснити ці дивні явища.

Тому більшість учених вважають, що всі ці дивацтва у Всесвіті можна пояснити наявністю темної матерії, яка має масу, є електрично нейтральною і майже ніколи не взаємодіє зі звичайною матерією. Вважається, що темна матерія становить більшу частину маси у Всесвіті і її приблизно в 5 разів більше, ніж матерії, яку ми бачимо.

Маса частинок темної матерії

Експерименти, призначені для виявлення рідкісних взаємодій між темною і звичайною матерією, не дали жодних результатів. Але ці експерименти були зосереджені на певному діапазоні мас: приблизно від 10 до 1000 гігаелектронвольт (Гев). У цьому діапазоні мас знаходяться найважчі відомі елементарні частинки, такі як істинний кварк і W-бозон.

Фізики задалися питанням: чи може темна матерія бути легшою або важчою, ніж ми думали? Тобто чи може вона складатися з більш легких або більш важких частинок? Автори дослідження дійшли висновку, що темна матерія не може бути занадто важкою, інакше це зруйнує нашу найкращу модель Всесвіту.

Темна матерія дуже рідко взаємодіє зі звичайною матерією. У ранньому Всесвіті, коли він був більш гарячим і щільним, такі взаємодії відбувалися набагато частіше. Коли Всесвіт почав остигати і розширюватися, то ці взаємодії сповільнилися, а потім майже повністю припинилися, а тому темна матерія виявилася невидимою.

Проблема важкої темної матерії та бозон Хіггса

Існує безліч моделей потенційних елементарних частинок, з яких може складатися темна матерія. Але ці частинки здебільшого взаємодіють зі звичайними частинками за допомогою бозона Хіггса. Це фундаментальна частинка Всесвіту, яка взаємодіє майже з усіма іншими частинками і надає їм масу. Фізики вже знають приблизну масу бозона Гіггса — 125 Гев. Автори дослідження виявили, що ця маса накладає верхню межу на те, яку масу можуть мати частинки темної матерії.

Проблема в тому, що бозон Гіггса взаємодіє як із темною матерією, так і зі звичайною матерією, і в багатьох моделях є сполучною ланкою між ними. Але обидва види матерії також взаємодіють із бозоном Гіггсом. Ці взаємодії виглядають як невеликі зміни маси бозона Гіггса.

Фізики з'ясували, що якщо частинки темної матерії мають масу, більшу за кілька тисяч Гев, то їхній внесок у зміну маси бозона Гіггса буде надзвичайно великим. Оскільки бозон Хіггс відіграє важливу роль у визначенні багатьох фундаментальних фізичних явищ, у такому разі він би повністю вимкнув взаємодії частинок.

Легка темна матерія

Водночас, як вважають фізики, темна матерія може взагалі не взаємодіяти зі звичайною матерією, або ж така взаємодія може відбуватися за допомогою якогось екзотичного механізму, де не задіяний бозон Хіггса.

З іншого боку, темна матерія може бути легшою, ніж ми думаємо, тобто складатися з дуже легких частинок. Наприклад, передбачається, що такими частинками можуть бути надлегкі аксіони. У такому разі жодних руйнувань моделі Всесвіту не повинно статися. Вчені вважають, що якщо їхні висновки підтвердяться, то потрібно шукати частинки темної матерії з малою, а не великою масою.

Як уже писав Фокус, дивна фізика нової галактики, яка в 32 рази більша за Чумацький Шлях, кидає виклик теоріям. Виявлена "проблемна" галактика не тільки величезна, а й дуже загадкова.

Також Фокус писав про те, що згідно з іншим дослідженням, на самому початку Всесвіт створив основу для зірок і галактик без допомоги гіпотетичного квантового поля, як передбачалося раніше.