Физики предложили новую модель темной материи — HYPER
Темная материя остается одной из величайших загадок современной физики. Ясно то, что она скорее всего должна существовать, потому что без темной материи, например, нельзя объяснить движение галактик. Но никогда не было возможности обнаружить темную материю в эксперименте.
В настоящее время существует много предложений для новых экспериментов: они направлены на обнаружение темной материи непосредственно через ее рассеяние от составляющих атомных ядер среды обнаружения, то есть протонов и нейтронов.
Группа исследователей предложила нового кандидата на роль темной материи: HYPER, или «HighlY Interactive ParticlE Relics» (высокоинтерактивные реликвии частиц).
В модели HYPER через некоторое время после образования темной материи в ранней Вселенной резко возрастает сила ее взаимодействия с нормальной материей, что, с одной стороны, делает ее потенциально обнаружимой сегодня и в то же время может объяснить обилие темной материи.
Новое разнообразие в секторе темной материи
Поскольку поиск тяжелых частиц темной материи, или так называемых WIMP, пока не привел к успеху, физики ищут альтернативные частицы темной материи, особенно более легкие. В то же время, как правило, можно ожидать фазовых переходов в темном секторе — в видимом секторе их несколько, говорят ученые. Но предыдущие исследования, как правило, игнорировали их.
«Не существует согласованной модели темной материи для диапазона масс, к которому надеются получить доступ некоторые запланированные эксперименты. Однако наша модель HYPER показывает, что фазовый переход действительно может помочь сделать темную материю более легко обнаруживаемой», — сказал Гилли Элор, профессор теоретической физики в JGU и автор исследования.
Проблема подходящей модели: если темная материя слишком сильно взаимодействует с нормальной материей, ее (точно известное) количество, образовавшееся в ранней Вселенной, будет слишком маленьким, что противоречит астрофизическим наблюдениям. Однако, если ее производить в нужном количестве, взаимодействие, наоборот, будет слишком слабым для обнаружения темной материи в современных экспериментах.
«Наша центральная идея, которая лежит в основе модели HYPER, заключается в том, что взаимодействие резко меняется один раз, поэтому мы можем получить лучшее из обоих миров: нужное количество темной материи и большое взаимодействие, чтобы мы могли его обнаружить», — говорят ученые.
И вот как это представляют исследователи: в физике элементарных частиц взаимодействие обычно опосредуется определенной частицей, так называемым посредником (медиатором) — так же, как и взаимодействие темной материи с обычной материей. Как образование темной материи, так и ее обнаружение осуществляются через этого посредника, причем сила взаимодействия зависит от его массы: чем больше масса, тем слабее взаимодействие.
Сначала медиатор должен быть достаточно тяжелым, чтобы образовалось нужное количество темной материи, а затем достаточно легким, чтобы темную материю вообще можно было обнаружить. Поэтому ученые пришли к выводу, что после образования темной материи произошел фазовый переход, во время которого масса медиатора внезапно уменьшилась.
Таким образом, с одной стороны, количество темной материи поддерживается постоянным, а с другой стороны, взаимодействие усиливается таким образом, что темная материя должна быть непосредственно обнаружена.
«Модель HYPER способна охватить почти весь диапазон, который новые эксперименты делают доступным», — говорит Гилли Элор.
В частности, исследовательская группа сначала рассмотрела максимальное поперечное сечение взаимодействия, опосредованного медиатором, с протонами и нейтронами атомного ядра, чтобы оно соответствовало астрофизическим наблюдениям и некоторым распадам физики элементарных частиц. Следующим шагом было решение рассмотреть, существует ли модель для темной материи, которая демонстрирует это взаимодействие.
«И здесь нам пришла в голову идея фазового перехода», — говорят исследователи. «Затем мы подсчитали количество темной материи, которая существует во Вселенной, а затем смоделировали фазовый переход, используя наши расчеты».
Существует множество ограничений, которые необходимо учитывать, таких как постоянное количество темной материи.
«Здесь мы должны систематически рассматривать и включать очень много сценариев, например, задавая вопрос, действительно ли точно, что наш посредник внезапно не приведет к образованию новой темной материи, чего, конечно, не должно быть. Но в конце концов мы убедились, что наша модель HYPER работает».
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.