|
Является ли темная материя естественной
|
|
|
|
Темная материя - одна из старейших открытых проблем в физике. Она составляет большую часть вещества во Вселенной и определяет, как формируются и движутся галактики, но никто никогда не обнаруживал ее напрямую. Физики предложили десятки вариантов объяснения этого явления: новые экзотические частицы, черные дыры, образовавшиеся сразу после Большого взрыва, и многое другое.
|
|
Возвращаясь к "естественности"
|
|
|
|
"Поскольку прямого обнаружения нет, чтобы ответить на этот вопрос, исследователи часто прибегают к другому тесту: не "обнаружен ли этот кандидат", а "является ли этот кандидат естественным?"
|
|
|
|
Естественность - это физическая версия бритвы Оккама. Теория называется естественной, если она объясняет наблюдаемую нами Вселенную, не требуя тонкой, почти неправдоподобной настройки лежащих в ее основе чисел. К теории, которая работает только в том случае, если несколько не связанных между собой величин совпадают с точностью до многих десятичных знаков, относятся с подозрением, даже если она не исключена полностью.
|
|
|
|
Естественность незаметно определяла в ходе десятилетий исследований, какие идеи заслуживают внимания, но это скользкая концепция: интуитивно понятная, ее трудно определить и она редко применяется беспристрастно к конкурирующим идеям.
|
|
|
|
|
|
|
Именно этот пробел Стефано Профумо, профессор физики Калифорнийского университета в Санта-Крузе, рассматривает в новой статье, опубликованной в Physical Review D.
|
|
|
|
Вместо того чтобы абстрактно обсуждать естественность, Профумо подвергает это прямому количественному анализу, применяя один и тот же критерий к двум совершенно разным кандидатам в темную материю: субатомным частицам и первичным черным дырам — последние являются гипотетическими явлениями, возникшими в первую долю секунды после Большого взрыва, задолго до того, как появились звезды. рухни в них.
|
|
|
|
Этот критерий, называемый мерой Барбьери-Джудиче, задает простой вопрос, касающийся любой модели: если вы немного измените одно из ее входных значений, насколько изменится прогнозируемый результат? Плавный ход означает, что модель не нарушает своих собственных предположений и, следовательно, естественна. Резкий ход означает, что модель работает только потому, что ее показатели были скорректированы в соответствии с требованиями.
|
|
|
|
В ходе этого теста Профумо проанализировал 12 хорошо изученных сценариев темной материи, включая несколько разновидностей частиц темной материи - таких, как давно полюбившаяся "WIMP", или слабо взаимодействующая массивная частица, — и несколько различных способов образования первичных черных дыр в ранней Вселенной. Полученный результат противоречит общепринятому в данной области предположению.
|
|
|
|
«Существует мнение, что первичные чёрные дыры — это экзотическая, требующая тонкой настройки альтернатива, а тёмная материя в виде частиц — безопасная и естественная альтернатива по умолчанию, — говорит Профумо, заместитель директора по теоретической физике в Институте физики элементарных частиц в Санта-Крузе.
|
|
|
|
— Но если сравнить расчёты, то окажется, что это не так. Некоторые сценарии с чёрными дырами настолько естественны, насколько это вообще возможно. Некоторые сценарии с частицами требуют очень тонкой настройки. А некоторые из них находятся где-то посередине».
|
|
|
|
Например, чёрные дыры, образующиеся из коллапсирующих сетей структур, называемых «доменными стенками», оказались одними из самых естественных конструкций во всём исследовании, не уступая в этом самым «прощающим» моделям с частицами.
|
|
|
|
В то же время один из самых популярных сценариев с частицами, в котором тёмная материя аннигилирует через резонанс, связанный с бозоном Хиггса, оказался одним из самых требующих тонкой настройки сценариев из тех, что исследовал Профумо, и для его реализации необходимо, чтобы одно из значений было определено с точностью до долей процента. Другие конструкции, как с одной, так и с другой стороны, оказались где-то посередине.
|
|
|
|
"Естественность — это мощный фильтр, который помогает понять, куда двигаться дальше", — говорит Профумо. «Но это не повод отвергать целую категорию идей, таких как первичные черные дыры, только из-за того, что несколько отдельных моделей в рамках этой категории оказались хорошо подогнаны. Подгонка зависит от конкретной модели, а не от типа темной материи, с которого вы начали».
|
|
|
|
В статье не делается выбор в пользу какой-то одной теории. Вместо этого она предлагает исследователям универсальный критерий для сравнения совершенно разных гипотез о темной материи, а также предостерегает от того, чтобы придавать слишком большое значение одному слову «естественный».
|
|
|
|
Источник
|
