|
Теории о происхождении темной материи
|
|
|
|
В двух недавних исследованиях профессора Стефано Профумо из Калифорнийского университета в Санта-Крузе предлагаются теории, которые пытаются ответить на один из самых фундаментальных открытых вопросов современной физики: какова природа частиц темной материи?
|
|
|
|
Наука получила неопровержимые доказательства того, что таинственная субстанция, на долю которой приходится 80% всей материи во Вселенной, существует. Присутствие темной материи объясняет, что связывает галактики вместе и заставляет их вращаться. Такие открытия, как крупномасштабная структура Вселенной и измерения космического микроволнового фона, также доказывают, что нечто, пока еще не определенное, пронизывает всю эту тьму.
|
|
|
|
Что остается неизвестным, так это происхождение темной материи и, следовательно, свойства ее частиц? Эти важные вопросы в первую очередь касаются физиков-теоретиков, таких как Профумо. И в двух недавних статьях он подходит к этим вопросам с разных сторон, но обе они основаны на идее о том, что темная материя могла возникнуть естественным образом в условиях очень ранней Вселенной, а не быть новой экзотической частицей, которая взаимодействует с обычной материей каким—то обнаружимым образом.
|
|
|
|
Неясное происхождение
|
|
|
|
В последнем исследовании, опубликованном 8 июля в журнале Physical Review D, исследуется, могла ли темная материя образоваться в скрытом секторе — своего рода "зеркальном мире" со своими собственными версиями частиц и взаимодействий. Будучи полностью невидимым для людей, этот теневой сектор подчинялся бы многим из тех же физических законов, что и известная вселенная.
|
|
|
|
|
|
|
Идея была вдохновлена квантовой хромодинамикой (КХД), теорией, которая описывает, как кварки связаны друг с другом внутри протонов и нейтронов сильным ядерным взаимодействием. Калифорнийский университет в Санта—Крузе имеет глубокие корни в этой области: заслуженный профессор физики Майкл Дайн помог разработать теоретические модели, связанные с КХД—аксионом, ведущим исследователем темной материи, в то время как профессор-исследователь Эйб Сейден внес свой вклад в крупные экспериментальные исследования структуры адронов - частиц, состоящих из кварков, - в экспериментах по физике высоких энергий.
|
|
|
|
В новой работе Профумо сильное взаимодействие воспроизводится в темном секторе как ограничивающая теория "темной КХД", в которой собственные частицы — темные кварки и темные глюоны — связываются вместе, образуя тяжелые составные частицы, известные как темные барионы. При определенных условиях в ранней Вселенной эти темные барионы могли стать достаточно плотными и массивными, чтобы коллапсировать под действием собственной гравитации в чрезвычайно маленькие, стабильные черные дыры — или объекты, которые ведут себя во многом как черные дыры.
|
|
|
|
Эти остатки, похожие на черные дыры, были бы всего в несколько раз тяжелее планковской массы – фундаментальной шкалы массы квантовой гравитации, — но если бы они были получены в нужном количестве, они могли бы объяснить всю темную материю, наблюдаемую сегодня. Поскольку они взаимодействовали бы только посредством гравитации, они были бы полностью невидимы для детекторов частиц, однако их присутствие формировало бы Вселенную в самых больших масштабах.
|
|
|
|
Этот сценарий предлагает новую, проверяемую структуру, основанную на хорошо зарекомендовавшей себя физике, и в то же время расширяет многолетние исследования Калифорнийского университета в Санта-Крузе о том, как глубокие теоретические принципы могут помочь объяснить один из самых больших открытых вопросов в космологии.
|
|
На горизонте
|
|
|
|
Другое недавнее исследование Профумо, опубликованное в мае в том же журнале, исследует, может ли темная материя образовываться в результате расширения "космического горизонта" Вселенной — по сути, космологического эквивалента горизонта событий черной дыры.
|
|
|
|
В этой статье задается вопрос: если бы Вселенная пережила краткий период ускоренного расширения после инфляции — нечто менее экстремальное, чем инфляция, но все же расширяющееся быстрее, чем позволили бы излучение или материя, — могла бы эта фаза сама по себе "породить" частицы?
|
|
|
|
Используя принципы квантовой теории поля в искривленном пространстве-времени, в статье показано, что в результате этого механизма может возникнуть широкий диапазон масс темной материи, в зависимости от температуры и продолжительности этой фазы.
|
|
|
|
Важно отметить, что, по словам Профумо, для этого не требуется никаких предположений о том, как взаимодействует темная материя — достаточно того, что она стабильна и образуется гравитационно. Идея основана на том, как наблюдатели вблизи космических горизонтов, например, вблизи черной дыры, воспринимают тепловое излучение из-за квантовых эффектов.
|
|
|
|
"Оба механизма в высшей степени спекулятивны, но они предлагают автономные и поддающиеся расчету сценарии, которые не основаны на традиционных моделях частиц темной материи, которые все больше подвергаются давлению из-за нулевых экспериментальных результатов", - сказал Профумо, который также является заместителем директора по теории в Институте физики элементарных частиц Санта-Крус.
|
|
|
|
Можно сказать, что Профумо написал книгу о стремлении понять природу темной материи. В его учебнике 2017 года "Введение в изучение частиц темной материи" представлены уроки, которые он лично усвоил и использовал в своей исследовательской работе, используя самые современные методы, которые ученые разрабатывали на протяжении многих лет для построения и тестирования моделей частиц темной материи.
|
|
|
|
Книга описывает "парадигму темной материи" как "одно из ключевых достижений на стыке космологии и физики элементарных частиц" и предназначена для всех, кто интересуется микроскопической природой темной материи, проявляющейся в экспериментах по физике элементарных частиц, космологических наблюдениях и астрофизических явлениях высоких энергий.
|
|
|
|
Здешние исследователи на протяжении десятилетий играли ключевую роль в космологии, внося свой вклад в разработку стандартной модели лямбда-холодной темной материи, которая по—прежнему наилучшим образом соответствует всем космологическим данным, а также в теоретическое и наблюдательное изучение того, как формируются структуры во Вселенной. Кроме того, Калифорнийский университет в Санта-Крузе уже давно поддерживает тесное взаимодействие теории и наблюдений, обладая сильными сторонами в физике элементарных частиц, астрофизике и космологии ранней Вселенной.
|
|
|
|
Профумо сказал, что эти недавние публикации продолжают эту традицию, исследуя идеи, которые связывают глубочайшие вопросы физики элементарных частиц с крупномасштабным поведением космоса. "И они делают это таким образом, который остается укорененным в известной физике — будь то квантовая теория поля в искривленном пространстве-времени или хорошо изученные свойства SU (N) калибровочных теорий, — расширяя их до новых рубежей", - сказал он.
|
|
|
|
Источник
|
