Стандартна модель космології говорить про те, що всього 4,9% Всесвіту складається із звичайної речовини (тобто тієї, яку ми можемо бачити), а решта складається з 26,8% темної речовини та 68,3% темної енергії. Як підказують назви, ми не можемо їх побачити, тому їх існування довелося виводити на основі теоретичних моделей, спостережень за масштабною структурою Всесвіту та його явних гравітаційних впливів на видиму речовину.
З того часу, як це було вперше запропоновано, не бракувало пропозицій щодо того, як виглядають частинки Dark Matter. Не так давно багато вчених запропонували, що Темна матерія складається з слабо взаємодіючих масивних частинок (WIMP), які приблизно в 100 разів перевищують масу протона, але взаємодіють як нейтрино. Однак усі спроби відшукати WIMP за допомогою експериментів на колайдерах виявилися порожніми. Таким чином, вчені останнім часом досліджують думку про те, що темна речовина може складатися з чогось іншого цілком.
Сучасні космологічні моделі, як правило, припускають, що маса темної матерії становить близько 100 Гев (гіга-електровольтів), що відповідає масштабі маси багатьох інших частинок, які взаємодіють через слабку ядерну силу. Існування такої частинки відповідало б надсиметричним розширенням Стандартної моделі фізики частинок. Далі вважається, що такі частинки були б утворені у гарячому, щільному, ранньому Всесвіті, з масовою щільністю речовини, яка залишалася постійною і донині.
Однак постійні експериментальні зусилля по виявленню WIMP не дали жодних конкретних доказів цих частинок. Вони включають пошук продуктів знищення ВІМП (тобто гамма-променів, нейтрино та космічних променів) в сусідніх галактиках та кластерах, а також експерименти прямого виявлення за допомогою суперколідерів, як, наприклад, Великий адронний колайдер CERN (LHC) у Швейцарії.
Через це багато дослідницьких колективів почали розглядати питання, що виходять за межі парадигми WIMP, щоб знайти «Темну матерію». Одна з таких команд складається з групи космологів з CERN та CP3-Origins в Данії, які нещодавно опублікували дослідження, вказуючи на те, що Темна матерія може бути набагато важчішою та значно менш взаємодіючою, ніж вважалося раніше.
Як розповів доктор МакКуллен Сандора, один із членів дослідницької групи із СР-3 Origins, пише Space Magazine електронною поштою:
"Ми поки що не можемо виключити сценарій WIMP, але з кожним роком стає все більш підозрюваним, що ми нічого не бачили. Крім того, звичайна фізика слабких масштабів страждає від проблеми ієрархії. Ось чому всі частинки, про які ми знаємо, такі легкі, особливо стосовно природної шкали тяжіння, шкали Планка, яка становить приблизно 1019 GeV. Отже, якби темна матерія була ближчою до шкали Планка, вона не зазнала б проблеми ієрархії, і це також пояснило б, чому ми не бачили підписів, пов'язаних з WIMP. "
Використовуючи нову модель, яку вони називають Planckian Interacting Dark Matter (PIDM), команда досліджує верхню межу маси темної речовини. Якщо WIMP розміщують масу темної речовини на верхній межі шкали електрослабкі, датська дослідницька група Мартіас Гарні, МакКуллен Сандора та Мартін С. Слот запропонувала частинку з масою, що знаходиться поблизу іншого природного масштабу - шкали Планка.
На шкалі Планка одна одиниця маси еквівалентна 2,17645 × 10-8 кг - приблизно мікрограма, або 1019 в рази більше, ніж маса протона. При цій масі кожен PIDM по суті такий важкий, як може бути частинка, перш ніж вона стане мініатюрною чорною дірою. Команда також теоретизує, що ці частинки PIDM взаємодіють із звичайною речовиною лише шляхом гравітації і що велика кількість їх утворилася в самому ранньому Всесвіті під час епохи «перегрівання» - періоду, що стався наприкінці інфляційної епохи, приблизно 10-36 t0 10-33 або 10-32 секунди після Великого вибуху.
Ця епоха так називається, оскільки під час інфляції космічні температури, як вважають, знизилися в 100 000 разів. Коли інфляція закінчилася, температури повернулися до своєї доінфляційної температури (за оцінками 1027 К). У цей момент велика потенціальна енергія поля інфляції розпадалася на частинки Стандартної моделі, які заповнювали Всесвіт, до якого входила б Темна Матерія.
Природно, ця нова теорія має свою частку наслідків для космологів. Наприклад, щоб ця модель працювала, температура епохи для повторного нагрівання повинна була бути вище, ніж передбачається в даний час. Більше того, більш гарячий період нагрівання також призведе до створення більш первісних гравітаційних хвиль, що було б видно на космічному мікрохвильовому фоні (CMB).
"Наявність такої високої температури говорить нам про дві цікаві речі щодо інфляції", - каже Сандора. "Якщо темна матерія виявляється PIDM: по-перше, це те, що інфляція сталася з дуже високою енергією, а це, в свою чергу, означає, що вона змогла викликати не лише коливання температури раннього Всесвіту, але і самого простору, у вигляді гравітаційних хвиль. По-друге, це говорить нам про те, що енергія інфляції повинна була надто швидко занепадати в матерію, бо якби це зайняло занадто довго, Всесвіт остигла б до того моменту, коли б взагалі не змогла б виробляти жодних PIDM ”.
Існування цих гравітаційних хвиль може бути підтверджене або виключено майбутніми дослідженнями, що стосуються космічного мікрохвильового фону (CMB). Це захоплююча новина, оскільки, як очікується, нещодавнє відкриття гравітаційних хвиль призведе до оновлених спроб виявити первісні хвилі, що датуються самим створенням Всесвіту.
Як пояснив Сандора, це є безпрограшним сценарієм для вчених, оскільки це означає, що цього останнього кандидата на «Темну матерію» вдасться підтвердити або спростувати найближчим часом.
«Сценарій [O] ур дає конкретний прогноз: ми побачимо гравітаційні хвилі в наступних поколіннях космічних експериментів з мікрохвильовим фоном. Тому це сценарій без втрат: якщо ми їх бачимо, це чудово, і якщо ми їх не бачимо, ми знаємо, що темна матерія не є PIDM, а це означає, що ми знаємо, що вона повинна мати деякі додаткові взаємодії зі звичайною матерією. І все це відбудеться протягом наступного десятиліття, що дає нам багато чого з нетерпінням чекати ».
З тих пір, як Якоб Каптейн вперше запропонував існування Темної матерії в 1922 році, вчені шукають певних прямих доказів її існування. І одна за одною, запропоновані, зважені та знайдені бажаючі були запропоновані, зважені та знайдені частинки-кандидати - від гравітіно та MACHOS до осей Якщо нічого іншого, добре знати, що існування цієї останньої кандидатської частинки може бути доведено або виключено найближчим часом.
І якщо буде доведено правильність, ми вирішимо одну з найбільших космологічних таємниць усіх часів! На крок ближче до справжнього розуміння Всесвіту та взаємодії його таємничих сил. Теорія всього, тут ми приходимо (чи ні)!
