Стандартният модел на космологията ни казва, че само 4,9% от Вселената се състои от обикновена материя (от това, което можем да видим), докато останалото е 26,8% тъмна материя и 68,3% тъмна енергия. Както подсказва името на тези концепции, ние не можем да ги видим, така че тяхното съществуване трябва да следва от теоретични модели, наблюдения на мащабната структура на Вселената и очевидните гравитационни ефекти, които се появяват върху видимата материя.
Откакто се заговори за първи път, със сигурност не липсваха спекулации за това как изглеждат частиците на тъмната материя. Не толкова отдавна много учени започнаха да мислят, че тъмната материя се състои от слабо взаимодействащи масивни частици (WIMP, WIMP), които са около 100 пъти масата на протон, но си взаимодействат като неутрино. Въпреки това всички опити за намиране на WIMP с помощта на експерименти с ускорител на частици не доведоха до нищо. Ето защо учените започнаха да подреждат възможните алтернативи на състава на тъмната материя.
Съвременните космологични модели са склонни да приемат, че масата на тъмната материя се намира в рамките на 100 GeV (гигаелектронволт), което съответства на границите на масата на много други частици, които взаимодействат с помощта на слаба ядрена сила. Съществуването на такава частица би съответствало на суперсиметрично разширение на Стандартния модел на физиката на частиците. Освен това се смята, че такива частици трябва да са се родили в гореща, плътна, ранна вселена с плътност на масата на материята, която е останала непроменена и до днес.
Продължаващите експерименти за идентифициране на WIMP не са открили конкретни доказателства за съществуването на такива частици. Това включваше търсене на продукти за унищожаване на WIMP (гама лъчи, неутрино и космически лъчи) в близките галактики и клъстери, както и директни експерименти за откриване на частици, използващи суперколайдери като LHC.
Чрез суперсиметрия, сладките се унищожават помежду си, създавайки каскада от частици и радиация, включително гама лъчи със средна енергия
Не откривайки нищо, много учени решиха да се отдалечат от парадигмата на WIMP и да потърсят друга тъмна материя. Една такава група космолози CERN и CP3-Origins в Дания наскоро публикува проучване, което показва, че тъмната материя може да бъде много по-тежка и по-слаба за взаимодействие, отколкото се смяташе досега.
Един от членовете на изследователския екип CP-3 Origins, д-р McCullen Sandora, говори за усилията на своя екип:
Промоционално видео:
„Все още не можем да изключим сценария за WIMP, но всяка година подозираме, че все повече и повече не виждаме нищо. В допълнение, обичайният слаб мащаб на физиката страда от йерархичен проблем. Не е ясно защо всички частици, които познаваме, са толкова леки, особено ако погледнете естествената скала на гравитацията, скалата на Планк, която е около 1019 GeV. Така че, ако тъмната материя беше по-близо до скалата на Планк, тя няма да бъде засегната от проблема с йерархията и това също би обяснило защо не сме виждали подписи, свързани с WIMP. “
Използвайки нов модел, който те наричат Взаимодействащата тъмна материя на Планк (PIDM), учените изследват горна граница на масата на тъмната материя. Докато WIMP поставят масата на тъмната материя в горния край на електрослабната скала, датският изследователски екип от Мартиас Гарни, Маккълън Сандора и Мартин Слот предложи частица с маса, която е в съвсем различен естествен мащаб - Планкийски.
На скалата на Планк една единица маса е еквивалентна на 2,17645 х 10-8 килограма - около микрограм или 1019 пъти масата на протон. При тази маса всеки PIDM е по същество толкова тежък, колкото може да бъде частицата, преди да се превърне в миниатюрна черна дупка. Групата също така предполага, че тези PIDM частици взаимодействат с обикновената материя само гравитационно и че много от тях са се образували в много ранната Вселена по време на ерата на силно нагряване - период, който започва в края на инфлационната ера, някъде от 10-36 до 10- 33 или 10-32 секунди след Големия взрив.
Тази ера е наречена така, защото по време на инфлацията се смята, че температурите в космоса са спаднали 100 000 пъти. Когато инфлацията приключи, температурите се върнаха на прединфлационното си ниво (около 1027 Келвина). По това време по-голямата част от потенциалната енергия на инфлационното поле се е разпаднала на частици от Стандартния модел, които са изпълнили Вселената и сред тях - тъмна материя.
Естествено, новата теория идва с дела си от последици за космолозите. Например, за да работи този модел, температурата на отоплителната епоха трябва да е по-висока, отколкото се смята в момента. Освен това, по-горещият период на нагряване също би създал повече първични гравитационни вълни, които ще бъдат отразени в космическия микровълнов фон (CMB).
„Тази висока температура ни казва две интересни неща за инфлацията“, казва Сандора. - Ако тъмната материя е PIDM: първо, инфлацията протича при много високи енергии, което би предизвикало не само колебания в температурата на ранната Вселена, но и в самото пространство-време, под формата на гравитационни вълни. Второ, той ни казва, че енергията на инфлацията е трябвало да се разпада изключително бързо в материята, защото ако отнеме много време, Вселената може да се охлади до точката, след която изобщо вече не може да произвежда PIDM.
Съществуването на тези гравитационни вълни може да бъде потвърдено или изключено в бъдещи изследвания на космическия микровълнов фон. Това е изключително вълнуваща новина, тъй като скорошното откритие на гравитационните вълни се очаква да доведе до подновени усилия за откриване на първични вълни, които се коренят в самото създаване на Вселената.
Както обясни Сандора, всичко това представлява ясен сценарий за печалба за учените, тъй като най-новият кандидат за тъмна материя или ще бъде открит, или опроверган в близко бъдеще.
„Нашият сценарий прави желязна прогноза: ще видим гравитационни вълни в следващото поколение експерименти с космическия микровълнов фон. Тоест, това е печеливша печалба: ако ги видим, е страхотно и ако не ги видим, тогава ще знаем, че тъмната материя не е PIDM, от което следва, че трябва да се очаква някакво нейно взаимодействие с обикновената материя. Ако всичко това се случи през следващите десет години, можем само да чакаме нетърпеливо."
Откакто Якобус Каптейн за пръв път предполага съществуването на тъмна материя през 1922 г., учените търсят преки доказателства за нейното съществуване. Един след друг кандидатите сред частиците - от гравитино до аксиони - бяха предложени, прожектирани и отидоха в сферата на вечните търсения. Е, ако този последен кандидат недвусмислено бъде отказан или потвърден, тази опция вече не е лоша.
В крайна сметка, ако се потвърди, ще разрешим една от най-големите космологични мистерии на всички времена. Нека се приближим една крачка към разбирането на Вселената и как нейните мистериозни сили взаимодействат помежду си.
