Облака из скалярных бозонов могут объяснить темную материю
Природа темной материи продолжает озадачивать ученых. Поскольку поиск частиц темной материи по-прежнему ничего не дает, заманчиво вообще отказаться от модели темной материи, но косвенные доказательства этого вещества по-прежнему убедительны. Так что же это? Группа ученых-физиков выдвинула новую идею, и они опубликовали результаты своего первого поиска.
Темная материя не может быть обычной материей. Обычное вещество (атомы, молекулы и т.п.) легко поглощает и излучает свет. Даже если бы темная материя была облаками настолько холодных молекул, что они почти не излучали бы света, их все равно можно было бы увидеть по поглощаемому ими свету. Они выглядели бы как темная туманность, обычно наблюдаемая вблизи галактической плоскости.
Но их недостаточно, чтобы объяснить эффекты темной материи, которые ученые наблюдают. Исследователи также исключили нейтрино. Они не сильно взаимодействуют со светом, но нейтрино представляют собой форму «горячей» темной материи, поскольку нейтрино движутся почти со скоростью света. Известно, что большая часть темной материи должна быть «медлительной» и, следовательно, «холодной». Так что, если темная материя существует, это должно быть что-то еще.
В последней работе авторы утверждают, что темная материя может состоять из частиц, известных как скалярные бозоны.
Всю известную материю можно разделить на две большие категории, известные как фермионы и бозоны. К какой категории относится частица, зависит от квантового свойства, известного как спин. Фермионы, такие как электроны и кварки, имеют дробный спин, такой как 1/2 или 3/2. Бозоны, такие как фотоны, имеют целочисленный спин, такой как 1 или 0. Любая частица со спином 0 является скалярным бозоном.
Хотя это кажется тривиальным различием, эти два вида частиц ведут себя совершенно по-разному, когда их объединяют в большие группы.
Фермионы никогда не могут занимать одно и то же квантовое состояние, поэтому, когда вы пытаетесь сжать их вместе, они отталкиваются. Вот почему существуют белые карлики и нейтронные звезды. Гравитация пытается столкнуть электроны или нейтроны вместе, но давление Ферми настолько велико, что может сопротивляться гравитации (до определенного предела).
Бозоны, с другой стороны, могут занимать одно и то же состояние. Поэтому, если переохладить группу бозонов (таких как гелий-4), они могут осесть в странный квантовый объект, известный как конденсат Бозе-Эйнштейна.
Единственный известный скалярный бозон — бозон Хиггса. Он не может быть квантом темной материей, учитывая ее известные свойства, но некоторые теории предлагают другие скалярные бозоны. Они не будут взаимодействовать со светом, только с гравитацией. Поскольку свет не может их нагреть, со временем эти скалярные бозоны остынут и организуются в большие облака. Так что, возможно, темная материя состоит из больших диффузных облаков скалярных бозонов.
Это интересная идея, но как ее можно доказать? Оказывается, раз скалярные бозоны взаимодействуют гравитационно, то они взаимодействуют и с гравитационными волнами.
В зависимости от массы скалярные бозоны также могут распадаться, испуская гравитоны. В результате скалярные бозоны могут создавать гравитационные волны с определенной частотой. Это гравитационный эквивалент слабого гула. Поэтому исследователи изучили данные о гравитационных волнах от LIGO и Virgo.
Они искали свидетельства гравитационного гула в диапазоне 20–600 Гц и ничего не нашли. На основании своей работы авторы делают вывод, что молодых скалярных бозонных облаков в нашей галактике нет. Также нет старых и холодных скалярных бозонных облаков в пределах 3000 световых лет от Земли.
Это исследование не исключает полностью скалярные бозоны, но налагает некоторые сильные ограничения на эту идею.
В своем стремлении обнаружить, что такое темная материя, ученые продолжают выяснять, чем она не является.