Тъмната материя може да е резултат от фермиони, натикани в изкривено пето измерение

Ваня Милева Последна промяна на 10 ноември 2025 в 00:00 122 0

портал-изкривено пространство на Калаби-Яу - момиче ходи по вода и облаци

Кредит НаукаOFFNews
Модел на изкривено допълнително измерение.

Учени като че ли са открили обяснение за една от най-големите мистерии на Вселената: тъмната материя. Ново проучване предполага, че ключът се крие в частици, които "се измъкват" в скрито пето измерение през своеобразен портал. Тази теория, публикувана в The European Physical Journal C, би могла радикално да промени нашето разбиране за Вселената.

Съвременната физика се основава на Стандартния модел, теория, която описва фундаменталните частици и техните взаимодействия. Този модел обаче има значителни пропуски. Той не може да обясни защо бозонът на Хигс е много по-лек от очакваното и, което е по-важно, не обяснява феномена на тъмната материя.

"Знаем, че няма жизнеспособен кандидат за тъмна материя в Стандартния модел на физиката", обясняват учени от Испания и Германия в своята статия., "така че този факт вече изисква наличието на нова физика."

Тъмната материя съставлява 75% от материята, но никога не е била наблюдавана досега.

Тъмната материя е хипотетична форма на материя, за която се смята, че съставлява по-голямата част от цялата материя във Вселената. Знаем за нейното съществуване само косвено – чрез гравитационното ѝ влияние върху видимата материя, галактиките и структурата на космоса. Без тази скрита маса галактиките просто биха се разпръснали.

Проблемът е, че тъмната материя не взаимодейства със светлината или електромагнитните полета, което я прави напълно невидима за нашите инструменти. Ето защо Стандартният модел, който успешно описва видимия свят, е безсилен тук.

Тъмната материя може да е резултат от изтласкването на фермиони в усукано пето измерение

Теоретичната концепция за "изкривено допълнително измерение" (WED - warped extra dimension) е представена за първи път през 1999 г., като модел на Рандал-Сандръм, където пространство с повече измерения има извита или "изкривена" геометрия. Това изкривяване не е равномерно и може да създаде голямо съотношение на енергийните мащаби, което помага да се обясни защо гравитацията е много по-слаба от другите фундаментални сили върху нашата 3D "брана". Смята се, че частиците на Стандартния модел са ограничени до тази брана, докато гравитацията може да се разпространява през изкривеното допълнително измерение.

Наскоро публикуваното изследване в The European Physical Journal C, е първото, което последователно свързва тази теория с проблема на тъмната материя във физиката на елементарните частици.

Ново проучване предлага елегантно решение на този проблем, свързвайки го с друга дългогодишна загадка – така наречения "проблем с йерархията" или защо бозонът на Хигс е толкова по-лек от характерния мащаб на гравитацията.

Теорията на учените предполага, че отговорите и на двата въпроса са скрити в петото измерение.

Авторите на изследването са изследвали масите на фермионите (клас частици, който включва всички частици, които изграждат материята като електрони и протони). Те предполагат, че тези частици могат да "комуникират" с петото измерение, като преминават през специални портали. Влизайки в това "извито допълнително измерение“ (WED), те се превръщат в "фермионна тъмна материя“ – невидими реликви, които изпълват нашата вселена.

Моделът на Рандал-Сундръм 

Калуза и Клайн

Увлечението на физиците по допълнителните измерения се засилва в началото на 20. век. През 1915 г. Алберт Айнщайн публикува своята Обща теория на относителността, според която гравитацията се поражда от изкривяването на четириизмерното пространство-време от масивни обекти.

Няколко години по-късно физикът Тиодор Калуза си играе с уравненията на Айнщайн и въвежда пето измерение. Първоначално за това не е имало големи очаквания. Повече или по-малко е ставало въпрос за добавяне на допълнителни математически членове - w, които да се добавят към x, y и z.

Но удивителното е, че добавките на Калуза осигуряват начин за точно представяне на електромагнитните полета. С други думи, това петизмерно разширение на Общата теория на относителността сякаш елегантно обединяваше двете фундаментални сили - гравитацията и електромагнетизма - в единна рамка.

Съвременниците на Калуза отиват по-далеч, като предполагат, че гравитацията може по някакъв начин да "изтече" в това допълнително измерение, което може да обясни една от основните загадки на физиката: защо гравитацията е толкова изключително слаба в сравнение с другите природни сили.

През 1926 г. физикът теоретик Оскар Клайн отново разглежда рамката на Калуза, но вече от гледна точка на новооткритата квантова теория. Анализът му показва, че допълнителното измерение, чрез което действа електромагнетизмът, би трябвало да е неоценимо малко - много по-малко от атом - с радиус само 10-32 метра. Клайн предполага, че това деликатно измерение би съществувало във всяка точка на пространството, навито като безкрайно малка ролетка.

Теорията предполага, че ще има по-тежки версии на стандартните частици в други измерения, т. нар. частици на Калуза-Клайн, които имат по-голяма маса от тази на стандартните частици. Една от възможните форми на допълнителни измерения, усукани, "смачкани" до размери, милиарди пъти по-малки от размера на един атом, така че не може да ги видим. В рамките на всяка от тези форми вибрира и се движи струна - основният компонент на Вселената според теорията на Калуза-Клайн и теорията на струните. Илюстрация: Wikimedia Commons.

Сега вече знаем, че хипотезата на Калуза и Клайн, както стана известна, не е вярно отражение на реалността. Съвременната физика разглежда електромагнетизма като действащ чрез квантово поле в познатото ни пространство-време. Въпреки това идеята за позоваване на допълнителни измерения, за да се обяснят проблемите във физиката, се запазва.

Моделът на Рандал-Сундръм

Във физиката моделът на Рандал-Сундръм (наричан още 5-измерна теория на изкривената геометрия) описва света от гледна точка на вселена с по-високо измерение с изкривена геометрия или по-конкретно като 5-измерно анти-де Ситер пространство, където елементарните частици (с изключение на гравитона) са локализирани върху (3 + 1)-мерна брана или брани.

Това е модел на извитите допълнителни измерения, теория, разработена от Lisa Randall (Лиса Рандал) и Raman Sundrum (Раман Сундръм). Идеята им, показана на изображението по-долу, е, че гравитацията е също толкова силна, колкото другите три сили (електромагнитно, слабо и силно взаимодействие), само че не в нашата триизмерна вселена. Гравитацията в пълната си сила е в друга триизмерна вселена, която има много малко изместване от нашата вселена в четвъртото измерение на пространството (или петото, ако отделим времето), от само 10 ³¹ метра.

Следователно гравитацията е скрита в извито пространство и това, което „изтича“ в нашата собствена вселена, е просто лоша имитация. Извитото пространство може да е било създадено по време на първите мигове след Големия взрив и освободената енергия може да е подхранила последващия период на инфлация, така че тази теория на Рандал и Съндръм също дава обяснение. Теорията включва допълнителен пакет от частици, не суперсиметрични (SUSY) частици, а така наречените частици на Клайн-Калуза, частици, които са резултат от това извито пространство. Индикация за съществуването на такава частица, с маса от 600 GeV, беше открита много отдавна и Голеният адронен колайдер може да потвърди това.

Вижте компютърните рисунки на многообразия на Калаби-Яу. Смята се, че тези шестизмерни фигури са мястото на допълнителните шест измерения (освен четирите известни), за които се предполага, че съществуват в теорията на струните. Допълнителните измерения биха били сгънати в изключително сложни геометрии:

Кредит: PASIEKA/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Могат ли фермионите, пътуващи в различни измерения, да обяснят поне част от тъмната материя, която учените досега не са успели да наблюдават?

"Знаем, че няма жизнеспособен кандидат за тъмна материя в Стандартния модел на физиката", казват учените, "така че този факт вече изисква наличието на нова физика."

По принцип, ключов елемент от математиката създава огромни маси фермиони, които се проявяват в така нареченото петоизмерно изкривено пространство. Този "тъмен сектор" е един от възможните начини да се обясни огромното количество тъмна материя, което досега не е било откривано с помощта на традиционни измервания, предназначени за Стандартния модел на физиката. Фермионите, блокирани през портал към изкривено пето измерение, биха могли да "действат като" тъмна материя.

Как може да се наблюдава този вид тъмна материя, да се потвърди?

Най-важният въпрос за всяка теория за тъмната материя е как да се тества. В момента това е основната пречка пред десетки хипотези.

Авторите на статията твърдят, че тяхната теория може да бъде проверена.

Ако фермионите наистина "бягат“ в друго измерение, този процес би трябвало да генерира гравитационни вълни. Всичко, което е необходимо, за да се идентифицира фермионна тъмна материя в извитото пето измерение, е "подходящ тип детектор на гравитационни вълни“. С бързото развитие на подобни технологии в световен мащаб, отговорът на мистерията на тъмната материя може да е "точно зад ъгъла“.

Справка: 

Carmona, A., Castellano Ruiz, J. & Neubert, M. A warped scalar portal to fermionic dark matter. Eur. Phys. J. C 81, 58 (2021). https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-021-08851-0 

New Test of the Gravitational 1/????2 Law at Separations down to 52  ????⁢m
J. G. Lee, E. G. Adelberger, T. S. Cook, S. M. Fleischer, and B. R. Heckel
Phys. Rev. Lett. 124, 101101 – Published 10 March 2020 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.101101 

Източник:

 Scientists Are Pretty Sure They Found a Portal to the Fifth Dimension, Popular mechanics

How a simple physics experiment could reveal the “dark dimension”, New Scientist

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

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

    Няма коментари към тази новина !