Нов модел на тъмната материя

Ваня Милева Последна промяна на 26 януари 2023 в 00:01 12787 0

Това изображение от космическия телескоп "Хъбъл" на НАСА показва разпределението на тъмната материя в центъра на гигантския галактичен куп Abell 1689, съдържащ около 1000 галактики и трилиони звезди. Тъмната материя е невидима форма на материята, която представлява по-голямата част от масата на Вселената. Хъбъл не може да види пряко тъмната материя. Астрономите извеждат местоположението ѝ, като анализират ефекта на гравитационна леща, при която светлината от галактиките зад Abell 1689 се изкривява от влиянието на гравитацията на материята в клъстераа. Изследователите използват наблюдаваните позиции на 135 увеличени от лещите изображения на 42 фонови галактики, за да изчислят местоположението и количеството на тъмната материя в клъстера. Те налагат карта на тези предполагаеми концентрации на тъмна материя, оцветена в синьо, върху изображение на клъстера, направено от усъвършенстваната камера за наблюдение на Хъбъл. Ако гравитацията на клъстера идваше само от видимите галактики, изкривяванията на лещата щяха да бъдат много по-слаби. Картата разкрива, че най-плътната концентрация на тъмна материя е в ядрото на клъстера. Abell 1689 се намира на 2,2 милиарда светлинни години от Земята. Снимката е направена през юни 2002 г. Кредит: NASA, ESA, D. Coe (NASA Jet Propulsion Laboratory/California Institute of Technology, and Space Telescope Science Institute), N. Benitez (Institute of Astrophysics of Andalusia, Spain), T. Broadhurst (University of the Basque Country, Spain), and H. Ford (Johns Hopkins University)

Тъмната материя остава една от най-големите загадки на съвременната физика. Ясно е, че тя трябва да съществува, защото без тъмна материя не може да се обясни например движението на галактиките. Но никой не е успял да открие тъмна материя при експеримент.

В момента има много предложения за нови експерименти: Те имат за цел да открият тъмната материя директно чрез нейното разсейване от съставките на атомните ядра, т.е. протоните и неутроните.

Екип от изследователи - Робърт Макгий (Robert McGehee) и Аарон Пиърс (Aaron Pierce) от Мичиганския университет и Джили Елор (Gilly Elor) от Университета "Йоханес Гутенберг" в Майнц, Германия - сега предлагат нов кандидат за тъмна материя: HYPER, или "HighlY Interactive ParticlE Relics" (силно взаимодействащи реликтови частици).

В модела HYPER известно време след образуването на тъмната материя в ранната Вселена силата на взаимодействието ѝ с нормалната материя рязко се увеличава - което, от една страна, я прави потенциално откриваема днес и същевременно може да обясни изобилието на тъмната материя.

Ново разнообразие в сектора на тъмната материя

Тъй като търсенето на тежки частици тъмна материя или така наречените WIMPS, не доведе до успех, изследователската общност търси алтернативни частици тъмна материя, особено по-леки. В същото време по принцип се очакват фазови преходи в сектора на тъмната материя - в края на краищата, във видимия сектор има няколко такива, разказват изследователите. Но предишните изследвания обикновено ги пренебрегват.

"Досега не е имало последователен модел на тъмната материя за масовия диапазон, до който някои планирани експерименти се надяват да достигнат. Нашият модел HYPER обаче илюстрира, че фазовият преход всъщност може да помогне тъмната материя да стане по-лесно откриваема", заявява Елор, постдокторант по теоретична физика в от Университета "Йоханес Гутенберг" в Майнц, Германия.

Предизвикателството за подходящ модел: Ако тъмната материя взаимодейства твърде силно с нормалната материя, нейното  количество, образувано в ранната Вселена, би било твърде малко, което противоречи на астрофизичните наблюдения. Ако обаче тя се образува в точното наблюдвано количество, взаимодействието, обратно, би било твърде слабо, за да се открие тъмна материя при съвременните експерименти.

"Нашата основна идея, която е в основата на модела HYPER, е, че взаимодействието се променя рязко само веднъж - така че можем да имаме най-доброто от двата свята: точното количество тъмна материя и силно взаимодействие, за да можем да я открием", обяснява Макгий.

Предизвикателството за подходящ модел: Ако тъмната материя взаимодейства твърде силно с нормалната материя, нейното (точно известно) количество, образувано в ранната Вселена, би било твърде малко, което противоречи на астрофизичните наблюдения. Ако обаче тя се образува в точното количество, взаимодействието, обратно, би било твърде слабо, за да се открие тъмна материя при съвременните експерименти.

"Нашата основна идея, която е в основата на модела HYPER, е, че взаимодействието се променя рязко само веднъж - така че можем да имаме най-доброто от двата свята: точното количество тъмна материя и силно взаимодействие, за да можем да я открием", разказва Макгий.

А ето как си го представят изследователите: Във физиката на елементарните частици дадено взаимодействие обикновено се опосредства от определена частица, т.нар. посредник - за електромагнитната сила посредници са фотоните например. Така би трябвало да е и при взаимодействието на тъмната материя с нормалната материя. Както образуването на тъмната материя, така и нейното откриване функционират чрез този посредник, като силата на взаимодействието зависи от неговата маса: Колкото по-голяма е масата, толкова по-слабо е взаимодействието. (Например слабото взаимодействие включва обмен на опосредстващите взаимодействието бозони: W± и Z0, които са най-тежките частици, създавани някога в лаборатори, и са почти 100 пъти по-големи от масите на нуклоните, т.е. протоните и неутроните.) 

Посредникът трябва първо да бъде достатъчно тежък, за да се образува правилното количество тъмна материя, а след това достатъчно лек, за да може тъмната материя изобщо да бъде открита. Решението: След образуването на тъмната материя е имало фазов преход, по време на който масата на посредника внезапно е намаляла.

"По този начин, от една страна, количеството тъмна материя се запазва постоянно, а от друга страна, взаимодействието се усилва по такъв начин, че тъмната материя би трябвало да е директно откриваема", смята Пиърс.

Новият модел покрива почти целия диапазон от параметри на планираните експерименти

"Моделът HYPER на тъмната материя е в състояние да покрие почти целия диапазон, който новите експерименти правят достъпен", заявява Елор.

По-конкретно, изследователският екип първо е разгледал максималното сечение на опосредстваното от посредника взаимодействие с протоните и неутроните на атомното ядро, което съответства на астрофизичните наблюдения и на някои разпади в областта на физиката на елементарните частици. Следващата стъпка беше да се разгледа дали съществува модел на тъмната материя, който проявява това взаимодействие.

"И тук стигнахме до идеята за фазовия преход", разказва Макгий. "След това изчислихме количеството на тъмната материя, която съществува във Вселената, и след това симулирахме фазовия преход, използвайки нашите изчисления."

Съществуват много ограничения, които трябва да се вземат предвид, като например постоянното количество тъмна материя.

"Тук трябва систематично да разгледаме и включим много много сценарии, например да зададем въпроса дали наистина е сигурно, че нашият посредник не води до внезапно образуване на нова тъмна материя, което, разбира се, не трябва да бъде", каза Елор. "Но в крайна сметка бяхме убедени, че нашият модел HYPER работи."

Справка: Gilly Elor et al, Maximizing Direct Detection with Highly Interactive Particle Relic Dark Matter, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.031803

Източник: A new model for dark matter
University of Michigan

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !