Ученые наконец выясняют, сколько на самом деле весит темная материя - почти незаметный материал, который, как говорят, притягивает все, но не излучает света.

Новая оценка помогает определить, насколько тяжелыми могут быть его частицы - с последствиями для того, чем на самом деле является загадочный материал.

Исследование резко сужает потенциальную массу частиц темной материи: от 10 ^ минус 24 электронвольт (эВ) до 10 ^ 19 гигаэлектронвольт (ГэВ) до 10 ^ минус 3 эВ и 10 ^ 7 эВ - возможный диапазон массы во много триллионов триллионов раз меньше, чем раньше.

Открытия могут помочь охотникам за темной материей сосредоточить свои усилия на указанном диапазоне масс частиц - или они могут выявить ранее неизвестную силу, действующую во Вселенной, сказал Ксавье Кальме, профессор физики и астрономии из Университета Сассекса в США. Объединенное Королевство.

Калмет вместе с докторантом Фолкертом Кейперсом из Университета Сассекса описали свои усилия в новом исследовании, которое будет опубликовано в мартовском номере журнала Физические буквы B.

Что такое темная материя?

По некоторым оценкам, темная материя составляет около 83% всей материи Вселенной. Считается, что он взаимодействует со светом и обычной материей только через гравитацию, а это значит, что его можно увидеть только по тому, как он изгибает световые лучи.

Астрономы обнаружили первые намеки на темную материю, глядя на скопление галактик в 1930-х годах, а теории о том, что галактики пронизаны огромными ореолами темной материи и окаймлены ими, стали мейнстримом после 1970-х годов, когда астрономы поняли, что галактики вращаются быстрее, чем они должны были бы. , учитывая, сколько видимого вещества они содержат.

Возможные кандидаты на частицы темной материи включают призрачные крошечные частицы, известные как нейтрино, теоретические темные, холодные частицы, известные как аксионы, и предполагаемые слабовзаимодействующие массивные частицы или WIMP. По словам Калмета, новые границы массы могут помочь устранить некоторых из этих кандидатов, в зависимости от деталей конкретной модели темной материи.

Квантовая гравитация

Что действительно известно ученым, так это то, что темная материя, кажется, взаимодействует со светом и нормальной материей только через гравитацию, а не через какие-либо другие фундаментальные силы; и поэтому исследователи использовали теории гравитации, чтобы прийти к предполагаемому диапазону масс частиц темной материи.

Важно отметить, что они использовали концепции из теорий квантовой гравитации, что привело к гораздо более узкому диапазону, чем предыдущие оценки, которые использовали только общую теорию относительности Эйнштейна.

«Наша идея была очень простой, - сказал Калмет Live Science по электронной почте. «Удивительно, что люди не думали об этом раньше».

Общая теория относительности Эйнштейна основана на классической физике; он отлично предсказывает, как работает гравитация большую часть времени, но не работает в экстремальных обстоятельствах, когда квантово-механические эффекты становятся значительными, например, в центре черной дыры.

С другой стороны, теории квантовой гравитации пытаются объяснить гравитацию с помощью квантовой механики, которая уже может описать другие три известные фундаментальные силы - электромагнитное взаимодействие, сильное взаимодействие, удерживающее большую часть материи вместе, и слабое взаимодействие, вызывающее радиоактивный распад. Однако ни одна из теорий квантовой гравитации пока не имеет убедительных доказательств, подтверждающих их.

Калмет и Кейперс оценили нижнюю границу массы частицы темной материи, используя значения из общей теории относительности, и оценили верхнюю границу на основе времен жизни частиц темной материи, предсказанных теориями квантовой гравитации. По словам Калмета, природа значений из общей теории относительности также определила природу верхней границы, поэтому они смогли получить предсказание, не зависящее от какой-либо конкретной модели квантовой гравитации.

Исследование показало, что, хотя квантовые гравитационные эффекты в целом были почти несущественными, они стали важными, когда гипотетической частице темной материи потребовалось чрезвычайно много времени для распада и когда Вселенная была примерно такой же старой, как сейчас (примерно 13,8 миллиарда лет), сказал он. .

Физики ранее подсчитали, что частицы темной материи должны быть легче, чем «масса Планка» - примерно 1,2 · 10 ^ 19 ГэВ, по крайней мере, в 1000 раз тяжелее, чем самые крупные известные частицы - но при этом тяжелее 10 ^ минус 24 эВ, чтобы соответствовать По его словам, наблюдения мельчайших галактик, которые содержат темную материю.

Но до сих пор очень мало исследований пытались сузить диапазон, хотя за последние 30 лет был достигнут большой прогресс в понимании квантовой гравитации, сказал он. «Раньше люди просто не смотрели на влияние квантовой гравитации на темную материю».

Неизвестная сила

Калмет сказал, что новые границы для масс частиц темной материи также могут быть использованы для проверки того, взаимодействует ли одна только гравитация с темной материей, что широко предполагается, или на темную материю влияет неизвестная сила природы.

«Если бы мы нашли частицу темной материи с массой за пределами диапазона, обсуждаемого в нашей статье, мы бы не только открыли темную материю, но и очень убедительно доказали, что… существует некая новая сила помимо гравитации, действующая на темную материю», - сказал он.

Первоначально опубликовано на Live Science.

Ученые сужают «вес» темной материи в триллионы триллионов раз