|
Тяжелая темная материя разрушит представления о Вселенной
|
|
|
|
Темная материя не может быть слишком тяжелой, иначе она может нарушить нашу лучшую модель Вселенной. У нас есть множество доказательств того, что во Вселенной происходит что-то подозрительное. Звезды вращаются внутри галактик слишком быстро. Галактики движутся внутри скоплений слишком быстро. Структуры растут и эволюционируют слишком быстро. Если мы будем учитывать только материю, которую мы можем видеть, то просто не хватит силы тяжести, чтобы объяснить все эти явления.
|
|
|
|
Подавляющее большинство космологов считают, что все эти явления можно объяснить присутствием темной материи, гипотетической формы материи, которая является массивной, электрически нейтральной и практически не взаимодействует с обычной материей, если вообще взаимодействует. Эта темная материя составляет большую часть массы Вселенной, намного превосходя количество светящейся материи.
|
|
|
|
Происхождение темной материи остается загадкой, поскольку эксперименты, направленные на обнаружение случайных, редких столкновений, ничего не дали. Но эти эксперименты были нацелены на определенный диапазон масс: примерно от 10 до 1000 гигаэлектронвольт (ГэВ). (ГэВ эквивалентна 1 миллиарду электрон-вольт.) Это относится к самым тяжелым известным частицам, таким как W-бозон и топ-кварк. В течение десятилетий теоретики отдавали предпочтение этому диапазону масс, поскольку несколько простых расширений стандартной модели физики элементарных частиц предсказывали существование таких частиц.
|
|
|
|
|
|
|
Однако, поскольку мы пока ничего не нашли, мы начали задаваться вопросом, может ли темная материя быть легче или тяжелее, чем мы думали. Но, согласно новой статье, опубликованной в базе препринтов arXiv, более тяжелая темная материя сталкивается с некоторыми серьезными проблемами.
|
|
|
|
Проблема в том, что темная материя иногда взаимодействует с обычной материей, хотя и редко. Но в ранней Вселенной, когда космос был намного горячее и плотнее, эти взаимодействия происходили гораздо чаще. В конце концов, по мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась, эти взаимодействия замедлились, а затем прекратились, что привело к тому, что темная материя "замерзла" и оставалась безмолвной на заднем плане.
|
|
|
|
Хотя существует множество моделей потенциальных кандидатов в темную материю, многие из них взаимодействуют с обычными частицами посредством обмена с участием бозона Хиггса — фундаментальной частицы, которая взаимодействует почти со всеми другими частицами и, благодаря этим взаимодействиям, придает этим частицам массу.
|
|
|
|
Нам известна масса бозона Хиггса: около 125 ГэВ. Исследователи обнаружили, что эта масса устанавливает фундаментальный верхний предел для возможной массы большинства кандидатов в темную материю.
|
|
|
|
Проблема в том, что все взаимодействия в физике - это улицы с двусторонним движением. Хиггс взаимодействует как с темной, так и с обычной материей и во многих моделях является посредником во взаимодействиях между ними. Но оба вида материи также взаимодействуют с Хиггсом. Эти взаимодействия проявляются в виде незначительных изменений массы бозона Хиггса.
|
|
|
|
Для частиц стандартной модели мы можем рассчитать эти поправки и взаимодействия с обратной связью, благодаря которым теоретики предсказали массу бозона Хиггса задолго до его обнаружения.
|
|
|
|
Исследователи обнаружили, что если бы масса частицы темной материи превышала несколько тысяч ГэВ, ее вклад в массу Хиггса был бы невероятно важен, что привело бы к отклонению ее от наблюдаемого значения. И поскольку Хиггс играет столь важную роль в определении многих других фундаментальных физических явлений, он, по сути, полностью прекратил бы взаимодействие частиц.
|
|
|
|
Однако есть возможности обойти это ограничение. Темная материя может вообще не взаимодействовать с обычными частицами, или же взаимодействие может происходить посредством какого-то экзотического механизма, не связанного с Хиггсом. Но таких моделей немного, и они отличаются друг от друга и требуют большой доработки и дополнительных шагов.
|
|
|
|
Или, возможно, темная материя легче, чем мы думали. Если мы не считаем тяжелую темную материю подходящим кандидатом, то, продолжая изучать этот загадочный компонент Вселенной, мы можем направить наши усилия в другом направлении. Уже наблюдается всплеск интереса к аксионам, сверхлегким частицам, которые предсказываются в некоторых моделях физики элементарных частиц и могут быть жизнеспособными кандидатами на роль темной материи.
|
|
|
|
С экспериментальной точки зрения, если этот результат подтвердится и подтвердится широко распространенное ограничение на массу частиц темной материи, мы сможем усовершенствовать и перестроить наши эксперименты для поиска частиц с низкой массой, а не с высокой.
|
|
|
|
Источник
|
