Массивные гравитоны могут быть жизнеспособными кандидатами в кванты темной материи
Сегодня многие исследовательские группы по всему миру пытаются обнаружить темную материю, невидимую субстанцию, которая, как считается, составляет большую часть материи во Вселенной. Поскольку она не отражает и не излучает свет, ее присутствие было косвенно выявлено благодаря гравитационному взаимодействию с видимой материей.
На данный момент наиболее многообещающими кандидатами в темную материю являются аксионы, нейтрино и слабо взаимодействующие массивные частицы. Однако недавно некоторые физики также начали исследовать возможность того, что другой тип гипотетических частиц, массивные гравитоны, могут быть жизнеспособными кандидатами в темную материю.
Теория предполагает, что массивные гравитоны были созданы во время столкновений между обычными частицами в горячей и плотной среде ранней Вселенной, через несколько мгновений после Большого взрыва. Хотя теории предсказывают их существование, эти частицы до сих пор никогда не обнаруживались напрямую.
Ученые из Korea University и University of Lyon недавно провели теоретическое исследование, изучающее возможность того, что массивные гравитоны могут быть хорошими кандидатами в темную материю. Результаты их теоретических расчетов были опубликованы в статье в Physical Review Letters.
«Наше исследование началось с изучения дополнительных измерений, особенно искаженных дополнительных измерений, которые много изучались за последние 20 лет», — говорят ученые.
«Когда гравитация распространяется в этом невидимом пространстве, она материализует массивные гравитоны. Их связь с обычной материей очень слаба, поскольку они имеют гравитационное происхождение».
Процесс, посредством которого теоретически могли бы создаваться массивные гравитоны, чрезвычайно редок. По этой причине скорость образования этих частиц будет значительно ниже скорости образования «обычных» частиц. Ученые задались вопросом, было ли в ранней Вселенной создано достаточно массивных гравитонов, чтобы их можно было считать хорошими кандидатами в темную материю.
«Рассчитывая скорость образования этих частиц, мы обнаружили, что некоторые процессы усиливаются ниже масштаба, при котором бозон Хиггса генерирует массы для обычных частиц, через 1 пикосекунду после Большого взрыва», — говорят ученые. «Мы показали, что этого усиления достаточно, чтобы создать нужное количество темной материи в виде массивных гравитонов с массами ниже МэВ».
Расчеты показывают, что вместо того, чтобы ассоциироваться с неизвестной физикой, происходящей вскоре после Большого взрыва, производство массивных гравитонов наиболее эффективно ниже энергетической шкалы, в которой находятся бозоны Хиггса.
Бозоны Хиггса — это элементарные частицы, которые несут поле Хиггса — поле, которое придает массу фундаментальным частицам, таким как электроны и кварки.
«Это устанавливает прямую связь между физикой, изучаемой на Большом адронном коллайдере в Женеве, и физикой гравитации и темной материи ранней Вселенной», — говорят исследователи.
«Наши результаты подразумевают, что гравитационная темная материя образуется через 1 пикосекунду после Большого взрыва, в то время, когда физика элементарных частиц хорошо описывается современными теориями».
В будущем результаты, полученные этой группой исследователей, могут вдохновить на новые исследования и расчеты, изучающие образование массивных гравитонов во Вселенной. Тем временем ученые планируют опираться на теоретическую модель, представленную в их статье, а также оценивать других кандидатов на темную материю.
«Теперь мы планируем исследовать другие особенности конкретной модели в искривленном дополнительном измерении, которые мы обрисовываем в статье. Нас особенно интересует роль, которую играет скалярная частица, называемая радионом, и потенциальная возможность тестирования на текущих и будущих коллайдерах частиц».
Расчеты были опубликованы в статье в Physical Review Letters.