Ученые на шаг ближе к пониманию темной материи, и вот почему

Полученные таким образом диапазоны допустимых масс для разных типов темных частиц оказались значительно уже, чем ранее существовавшие теоретические ограничения, и исключают существование очень легких и очень тяжелых частиц темной материи. В будущем такой результат может быть полезен в ходе экспериментальных поисков темной материи.

Доказательства существования темной материи

У физиков есть множество косвенных доказательств существования темной материи — гипотетической формы материи, которая не участвует в электромагнитном взаимодействии. Без предположения о существовании такого темного аналога обычной материи очень трудно объяснить ряд явлений, которые физики называют эффектами скрытой массы.

Причем эти эффекты проявляются в самых разных пространственных и временных масштабах нашей Вселенной. Например, темная материя позволяет одновременно объяснить как аномально высокие скорости вращения периферийных областей галактик, так и особенности данных по реликтовому микроволновому излучению, хотя эти эффекты основаны на совершенно другой физике, и возникли они на разных этапах эволюции Вселенной.

Поэтому физики уверены в существовании темной материи, несмотря на то, что пока им не удалось напрямую зарегистрировать ее.

Темной материи, однако, нет места в Стандартной модели — хорошо известной теоретической конструкции в физике элементарных частиц, которая точно описывает накопленный массив экспериментальных данных в этой области. Поэтому для описания природы темной материи ученым нужны новые теории, а для проверки предложенных гипотез — экспериментальные данные о характеристиках темных частиц, важнейшим из которых является их масса.

Сужение диапазонов допустимых масс темной материи

В ранее предложенных теоретических конструкциях говорилось, что масса частиц темной материи должна находиться в диапазоне примерно 10 ^-22 эВ и 10 ¹⁹ ГэВ. На основе этих ограничений также планируются эксперименты по прямой регистрации темной материи. Новые теоретические ограничения на массу темных частиц позволили бы сузить область экспериментальных поисков.

Ксавье Кальме и Фолкерт Кейперс из Университета Сассекса значительно сузили диапазон возможных масс частиц темной материи в своем теоретическом исследовании. В нем ученые использовали общепринятое предположение, что взаимодействие темной материи с самой собой и с обычной материей не через гравитацию незначительно. Но можно было получить более сильные ограничения на массу темной материи именно путем рассмотрения действия гравитации на нее и в ее квантовой форме.

Предполагаемая квантовая природа гравитации дала физикам ограничение на верхний предел массы: частицы, которые были слишком тяжелыми за прошлое время существования Вселенной, подверглись бы распаду из-за квантовых эффектов. В случае темных частиц, которые слишком легкие, эффекты квантовой гравитации могут привести к появлению так называемой пятой силы.

Эксперименты

В ходе исследования ученые рассмотрели случай скалярных и псевдоскалярных (аксионов) частиц темной материи, а также темных фермионов (со спином 1/2) и частиц со спином 2, все из которых были синглетными по отношению к калибровочному преобразованию.

В результате были наиболее сильно ограничены темные фермионы, масса которых физики поместили в диапазоне от 10 ² до 10 ¹⁰ электрон-вольт. Несколько более слабые ограничения были получены для скалярных частиц и темной материи со спином 2: для них допустимая масса оказалась между 10 ^-3 и 10 ⁷ электрон-вольт.

Такие же значения были получены для темных аксионов, если законы квантовой гравитации нарушают четность, в противном случае масса темных псевдоскалярных частиц должна быть между 10 ^-21 и 10 ⁷ электронвольт. Кроме того, физики рассматривали случай векторной частицы со спином 1: ее масса ограничивалась 10 ^-22 и 10 ⁷ электрон-вольт.

Ученые отмечают, что они получили такие ограничения, рассматривая квантовую гравитацию в самой слабой из возможных ее вариаций, то есть действующей в масштабах не более массы Планка. Это худший вариант для рассматриваемой теории с точки зрения силы конечных ограничений, и если квантовая гравитация будет сильнее, результирующие ограничения на массу темной материи будут только увеличиваться.

С другой стороны, важно также, что полученные результаты справедливы только для калибровочно-инвариантных полей: в противном случае калибровочная инвариантность «спасет» частицы от распада и появления пятой силы, а это означает, что полученные ограничения не применяются.