Существует ли "зеркальный мир"? Ученые выдвинули новые теории происхождения темной материи

Темная материя, которая составляет около 80% всей материи во Вселенной, остается одной из самых больших научных загадок современности. Ее невозможно увидеть, но именно она удерживает галактики вместе и формирует крупномасштабную структуру космоса. Несмотря на десятилетия исследований, ее природа до сих пор неизвестна. Однако два исследования профессора Стефано Профумо из Калифорнийского университета в Санта-Круз могут предложить новый ключ к разгадке, передает Phys.

В своих статьях, опубликованных в журнале Physical Review D, ученый описывает два отдельных механизма возникновения темной материи, которые основываются на известных законах физики, не требуя дополнительных взаимодействий с обычной материей. Профумо предлагает гипотезу, согласно которой темная материя могла возникнуть в скрытом или "зеркальном" секторе - параллельном мире, который содержит свои собственные частицы и силы, подобные тем, что существуют в видимой Вселенной. Идея базируется на квантовой хромодинамике (КХД) - теории, объясняющей, как кварки взаимодействуют через сильную ядерную силу.

По аналогии, в "темной версии" КХД могут существовать темные кварки и темные глюоны, которые формируют тяжелые составные частицы - темные барионы. Эти частицы, в условиях ранней Вселенной, могли коллапсировать под собственной гравитацией в крошечные стабильные объекты, подобные черным дырам. Хотя они почти не поддаются обнаружению, их гравитационное присутствие могло бы объяснить все наблюдения, которые мы сейчас приписываем темной материи.

Профумо подчеркивает: этот сценарий не требует новых сил природы или взаимодействий - все остается в пределах проверенных физических теорий. Масса таких объектов превышала бы планковскую, то есть минимальную массу, определенную квантовой гравитацией, и именно поэтому их часто приравнивают к остаточным черным дырам.

Другое исследование рассматривает альтернативную гипотезу - темная материя могла появиться из-за квантовых эффектов вблизи космического горизонта, возникшего после Большого взрыва. Это своеобразная граница наблюдаемой Вселенной, подобная горизонту событий черной дыры, где из-за искривления пространства-времени могут рождаться частицы.

Согласно квантовой теории поля в искривленном пространстве, быстрое расширение Вселенной в раннюю эпоху могло привести к гравитационному образованию частиц темной материи без необходимости в физических взаимодействиях с другими формами вещества. В зависимости от параметров этого процесса, в частности температуры и продолжительности фазы расширения, темная материя могла иметь разную массу, но оставаться стабильной и "невидимой".

Профумо отмечает, что оба сценария не противоречат современным экспериментальным данным. Наоборот - во время, когда поиск классических частиц темной материи, таких как аксионы или WIMPs (Weakly interacting massive particle), все чаще завершается нулевыми результатами, такие альтернативные подходы выглядят все более привлекательно.

Калифорнийский университет в Санта-Крузе уже более 30 лет является одним из центров исследований темной материи. Здесь работали и работают ведущие специалисты по квантовой хромодинамике, астрофизике и космологии. Сам Профумо является автором учебника An Introduction to Particle Dark Matter (2017), где анализирует различные подходы к изучению микроскопической природы темной материи.

В своих новых публикациях он продолжает эту традицию, сочетая теоретическую физику с актуальными космологическими вызовами. Оба сценария - и "зеркальная Вселенная", и механизм горизонта, остаются укорененными в проверенных принципах, таких как SU(N)-теории и квантовая гравитация, расширяя границы известного.

"Оба механизма являются очень спекулятивными, но они предлагают самодостаточные и вычисляемые сценарии, которые не опираются на обычные модели темной материи частиц, которые все больше находятся под давлением нулевых экспериментальных результатов", - отмечает Профумо.

Недавно космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST) зафиксировал галактику AMORE6 - один из первых известных объектов с нулевой металличностью, то есть без элементов тяжелее гелия. Это открытие считается прямым подтверждением теории Большого взрыва и процесса первичного нуклеосинтеза. Галактика, обнаруженная на красном смещении z = 5,725, сформировалась менее чем через миллиард лет после начала существования Вселенной.