Учени предлагат нов модел на тъмна материя с тежки съставни частици

Група физици-теоретици предлагат нов модел на тъмна материя, в който наборът от фундаментални частици и техните взаимодействия е подобен на силно взаимодействащия сектор на Стандартния модел, описан от квантовата хромодинамика.

В рамките на това описание наблюдаваната в момента тъмна материя се състои от аналози на познатите силно взаимодействащи частици, но с включени в състава им тъмни кварки и глуони.

Тези частици се образуват в ранната Вселена по време на фазовия преход конфайнмент/деконфаймент и имат голяма маса, и потенциално доста силно взаимодействат с частици от Стандартния модел, което обяснява трудностите при експерименталното им откриване в лабораторни експерименти.

Изследването е публикувано в Physical Review Letters.

Астрономическите наблюдения върху скоростта на разширяване на Вселената, скоростта на движение на звездите в галактиките, както и теоретичният анализ на скоростта на образуване на последните показват, че около 85% от масата на материята е тъмна материя.

Основният кандидат за ролята на неговите компоненти се считат за масивни елементарни частици, участващи само в слаби и гравитационни взаимодействия - WIMP (слабо взаимодействащи масивни частици), но няма общоприета теория, описваща броя на тези частици, техните свойства, както и подробностите за тяхното взаимодействие помежду им и с други частици.

Една от хипотезите за произхода на тъмната материя гласи, че нейните частици могат да бъдат композитни и са структурирани подобно на обикновените адрони, състоящи се от кварки и глуони. В такива теории има характерен мащаб на енергията Λ, при който настъпва конфайнмент – ако енергията на взаимодействащите фундаментални частици падне под тази енергия, тогава те се комбинират в тъмен адрон.

Когато физиците разглеждат космологичната еволюция на тъмната материя, тогава са възможни два варианта: Λ е повече от енергията, при която тъмните кварки замръзват, тоест изпадат от термодинамичното си равновесие с другите частици, или е по-малко от тази енергия. Първият вариант е разгледан от учените по-рано и води до резултати, които са качествено близки до други модели на тъмна енергия, състоящи се от WIMP.

Група физици-теоретици от Израел и Съединените щати, водени от Юри Смирнов от Университета в Охайо, анализира подробно космологичната еволюция на композитната тъмна материя в ситуация, при която замръзването настъпва преди фазовия преход на конфайнмент/деконфаймент по време на разширяването на Вселената и установява, че в този случай той се различава значително от това, което се случва в други модели на този тип вещество.

^{Тъмният барион е съставна частица от тъмен сектор. Той е подобен на стандартния модел на неутрона и неговата неутралност на цветния заряд се основава на факта, че има три вида "цвята" на тъмен кварк (червен, зелен, син). Имената на цветовете са избрани така, че да може да се направи аналогия с познатото явление, че трите цвята (r,g,b) комбинирани стават бели, аналогия за неутралността на цветния заряд. Атрактивна характеристика на тази конструкция е, че по същия начин, по който протонът има много дълъг живот в Стандартния модел, такова съставно състояние на тъмната материя е защитено от разпад чрез това присвояване на заряд. Това, разбира се, е желана характеристика, ако искаме да опишем нов тип материя, която е стабилна в космологични времеви мащаби. Кредит: Asadi et al.}

Основните компоненти на тъмната материя в модела, предложен от физиците, са нехирални тъмни кварки и антикварки от три цвята, както и тъмни глуони, които носят подобно силно взаимодействие между кварките. За разлика от Стандартния модел, тъмният сектор съдържа само един аромат кварки, чиято маса m_q също е много голяма - повече от 100 пъти по-голяма от мащаба на тъмния конфайнмент, което означава, че докато температурата на Вселената спадне до енергия Λ, тъмните кварки са дълбоко нерелативистки и такива частици винаги са замразени.

^{Образуването на тъмни бариони от тъмна кварк-глуонна плазма. Лилавото показва фазата на конфайнмент, а светло лилавото показва деконфайнмента. Черните точки съответстват на тъмните кварки и антикварки, а жълтите точки на тъмните бариони. Кредит: P. Asadi et al. / Physical Review Letters, 2021}

Образуването на композитните частици, от които се предполага, че е съставена тъмната материя днес, е станало по следния начин.

Докато температурата на Вселената е значително по-висока от Λ, тъмният сектор на материята е във фаза на деконфайнмент и частиците на този сектор са кварк-глуонна плазма.

Когато температурата се снижава достатъчно близо до енергията на фазовия преход, във Вселената започват да се образуват мехурчета от нов вакуум, в който настъпва конфайнмента на тъмната материя. Тези мехурчета растат и „бутат” пред себе си тъмните кварки, на които е енергийно неизгодно да са вътре в балона на новата фаза.

При навлизане в балона енергията на кварките би станала много по-голяма, отколкото навън, тъй като във фазата на конфайнмента между кварките задължително се образува тръба от глуонно поле, чиято енергия е пропорционална на неговата дължина.

За тъмният кварк, който случайно е попаднал вътре в балон, разстоянието до друг кварк най-вероятно ще бъде доста голямо, което означава, че енергията на глуонната тръба също ще бъде голяма.

Ако масата на кварка е по-малка или сравнима с мащаба на тъмния конфайнмент Λ, тогава тръбата може да се спука заради образуването на двойка кварк-антикварк, превръщаща новия кварк и един от кварките вътре в балона в тъмен мезон, но за тежките кварки този процес е още по-неизгоден енергийно. Поради това възниква качествена разлика в космологичната еволюция на тъмната материя  при m_q > Λ и m_q < Λ.

С течение на времето мехурчетата на вакуума във фазата на задържане нарастват толкова много, че обемът им става по-голям от обема на пространството с вакуума на деконфайнмента, който сам започва да се превръща в изолирани мехурчета, съдържащи всички тъмни кварки и антикварки.

Броят на тъмните частици и античастиците е много близък и следователно почти всички кварки и антикварки, събрани в колапсиращите мехурчета на старата фаза, се анихилират.

Във всеки такъв мехур се образува произволно малък излишък от тъмни кварки или антикварки, които нямат какво да унищожат и те образуват тъмни бариони или антибариони, които са съставни частици от тъмна материя във вакуума на конфайнмента, когато мехурчетата на старата фаза окончателно се спукат. Тъй като почти цялата първоначално съществуваща тъмна материя се анихилира, след завършване на фазовия преход остават малко от съставните й частици.

^{Параметричното пространство, разгледано от авторите на изследването. Вертикалната ос показва съотношението на масата на кварка към мащаба на конфайнмента Λ, а хоризонталната - самия мащаб мащаб  Λ. Лилавата линия маркира зависимостта на едно от тези величини от другата, което дава реалистична стойност за частта от тъмната материя в наблюдавания енергиен баланс на Вселената. Кредит: P. Asadi et al. / Physical Review Letters, 2021}

За да се получи реалистична обща маса на тъмната материя, която сега наблюдаваме, масата на един тъмен барион трябва да бъде от порядъка на 10³-10⁵ тераелектронволта.

Фактът, че има малко частици тъмна материя, а масата им е голяма, добре обяснява трудностите при експерименталното им откриване в лабораторни експерименти.

Астрофизиците е ъзможно да не виждат негравитационното взаимодействие на частиците на тъмната материя с други частици, не поради слабостта на това взаимодействие, а заради неговата рядкост и ако това взаимодействие е силно, тогава частиците на тъмната материя не могат да достигнат до подземни детектори като XENON заради взаимодействието им с веществото на земната кора.

В ускорителите обаче такива тежки частици не могат да се родят просто защото масите им значително надвишават енергиите на сблъскващите се там частици.

Справка: Accidentally Asymmetric Dark Matter
Pouya Asadi, Eric David Kramer, Eric Kuflik, Gregory W. Ridgway, Tracy R. Slatyer, and Juri Smirnov
Phys. Rev. Lett. 127, 211101 – Published 15 November 2021, DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.211101

Източник: Study explores phase transitions in a confining dark sector using QCD simulations
by Ingrid Fadelli , Phys.org

Още по темата

17/09/2021

Космос

Експеримент-ловец на тъмна материя, може би е открил директно тъмна енергия

25/03/2021

Космос

Наличието на WIMP, най-надеждните кандидати за частици тъмна материя, не бе потвърдено

22/10/2020

Физика

Предложена е нова теория за произхода на тъмната материя

18/06/2020

Физика

Тъмна материя: Загадъчен сигнал "удря" най-чувствителния детектор в света