Темная материя: новые грани старой загадки

Загадочная темная материя невидима, не излучает свет, не взаимодействует с электромагнитными силами, и все же ее гравитационное влияние очевидно: галактики вращаются быстрее, чем должны, а крупномасштабная структура космоса выглядит так, будто ее удерживает невидимая рука. Несмотря на десятилетия поисков, природа темной материи остается одной из величайших неразгаданных загадок современной науки.

Профессор Стефано Профьюмо из Калифорнийского университета в Санта-Крус предложил две новые теории, которые могут перевернуть наши представления о происхождении темной материи. В отличие от традиционных подходов, предполагающих, что она состоит из экзотических частиц вроде вимпов или аксионов, его работы исследуют альтернативные сценарии, где темная материя возникает естественным образом из условий ранней Вселенной — без необходимости в новых, пока не обнаруженных взаимодействиях.

Темная материя из «зеркального мира»

В первой статье, опубликованной в Physical Review D, Стефано Профьюмо рассматривает возможность, что темная материя образовалась в так называемом «скрытом секторе» — своеобразном зеркальном мире, подчиняющемся тем же фундаментальным законам, что и наша Вселенная, но остающемся для нас невидимым. Вдохновляясь квантовой хромодинамикой (КХД), описывающей взаимодействие кварков внутри протонов и нейтронов, он предлагает модель «темной КХД».

В этом сценарии темные аналоги кварков и глюонов связываются, образуя тяжелые частицы — темные барионы. В ранней Вселенной, при определенных условиях, эти частицы могли стать настолько массивными и плотными, что коллапсировали в микроскопические черные дыры или похожие на них объекты. Их масса была бы всего в несколько раз больше планковской, но если они образовались в нужном количестве, то могли бы объяснить всю наблюдаемую сегодня темную материю.

Эти «чернодыроподобные» объекты взаимодействовали бы только через гравитацию, оставаясь невидимыми для современных детекторов. Однако их влияние на крупномасштабную структуру Вселенной было бы огромным. Эта теория не только предлагает новый взгляд на темную материю, но и связывает ее с фундаментальными принципами квантовой гравитации.

Темная материя как «излучение» космического горизонта

Вторая работа исследует еще более необычный сценарий: что если темная материя возникла не как частица в привычном смысле, а как продукт самого пространства-времени? Профьюмо предполагает, что в ранней Вселенной мог существовать короткий период ускоренного расширения — не столь экстремальный, как инфляция, но достаточный для создания «космического горизонта», аналогичного горизонту событий черной дыры.

Согласно квантовой теории поля в искривленном пространстве-времени, такой горизонт мог «излучить» частицы — подобно тому, как черные дыры испускают излучение Хокинга. В зависимости от температуры и длительности этой фазы, этот механизм мог породить темную материю с широким диапазоном масс. Важно, что для этого не требуется никаких новых взаимодействий — только гравитация и квантовые эффекты.

Новые пути в поисках невидимого

Обе теории Профьюмо остаются спекулятивными, но они предлагают свежий взгляд на проблему темной материи, уходя от традиционных моделей, которые пока не нашли экспериментального подтверждения. Они также демонстрируют, как глубокие теоретические идеи — от квантовой хромодинамики до гравитационного излучения — могут быть применены к космологии, открывая новые горизонты в понимании Вселенной.

Как отмечает сам Стефано Профьюмо, эти работы продолжают традицию Калифорнийского университета в Санта-Крус, где десятилетиями развиваются передовые исследования на стыке физики элементарных частиц и космологии. Возможно, именно такие смелые идеи в конечном итоге приведут нас к разгадке природы темной материи — или заставят пересмотреть сами основы нашей картины мира.