Невидимую материю Вселенной могут объяснить темные пионы

Ученые предположили, что темная материя может быть своеобразной невидимой и неосязаемой версией пионов, типа мезона — категории частиц, состоящих из кварков и антикварков. Темная материя — это загадочная субстанция, которая, по мнению космологов, составляет около 85% всей материи во Вселенной. Согласно новой теории, темная материя может напоминать уже известные частицы. Если она подтвердится, это может открыть окно в мир физики невидимой темной материи.

Единственный способ, которым темная материя взаимодействует с чем-либо еще, это гравитация. Если вы наберете ведро темной материи, она просочится сквозь него, поскольку не реагирует на электромагнитные силы (это одна из причин, благодаря которым вы стоите на земле — атомы ваших ног отталкиваются от атомов Земли). Также темная материя не отражает и не поглощает свет. Таким образом, она невидима и неосязаема.

Ученые знают о ее существовании по поведению галактик. Массы галактик, рассчитанной по видимому веществу, которое они содержат, недостаточно, чтобы они удерживались вместе. Позже гравитационное линзирование показало, что свет, преломляющийся в присутствии гравитационных полей, выявляет, что галактические скопления содержат больше массы, чем видно нашему глазу.

Невидимые пионы

Команда из пяти физиков предположила, что темная материя может быть представлена невидимой и неосязаемой версией пиона, частицы, которая была открыта в 1930-х годах. Пион — это тип мезона, категории частиц, состоящих из кварков и антикварков; нейтронные пионы путешествуют между протонами и нейтронами, связывая их в атомных ядрах.

Большинство предположений о темной материи допускают, что она состоит из частиц, которые особо не взаимодействуют друг с другом — проходят насквозь, лишь слегка соприкасаясь. Такие частицы называются слабо взаимодействующими массивными частицами, или «вимпами». Другая идея предполагает, что темная материя состоит из аксионов, гипотетических частиц, которые могут решить ряд вопросов, оставленных Стандартной моделью элементарных частиц. Аксионы тоже не особо сильно взаимодействуют между собой.

Новое предположение говорит о том, что пионы темной материи взаимодействуют намного сильнее. Соприкасаясь, они частично уничтожаются и превращаются в обычное вещество. «Это «симп» — сильно взаимодействующая массивная частица, — говорит Йонит Хохберг, аспирант Беркли и ведущий автор исследования. — Сильно взаимодействующая сама с собой».

Для аннигиляции до нормальной материи частицы должны столкнуться в формате «три к двум», то есть три частицы темной материи должны встретить две других. Некоторые «кварки» темной материи, из которых состоят эти частицы, аннигилируют и превращаются в обычную материю, оставляя немного темной материи. При таком соотношении темная и обычная материя должны образоваться именно в тех пропорциях, что мы наблюдаем в нашей Вселенной.

Новое объяснение предполагает, что в начале жизни Вселенной темные пионы сталкивались друг с другом, уменьшая количество темной материи. Но по мере расширения Вселенной эти частицы сталкивались меньше и реже, пока не рассредоточились до такой степени, что едва встречаются.

Это взаимодействие сильно напоминает то, что происходит с заряженными пионами в природе. Эти частицы состоят из верхнего кварка и анти-нижнего кварка. (Кварки бывают шести ароматов, или типов: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный). Когда три пиона встречаются, они частично аннигилируют и становятся двумя пионами.

«Эта теория основана на чем-то подобном — на чем-то, что уже происходит в природе», — говорит Эрик Кафлик, научный сотрудник Корнелльского университета в Нью-Йорке и соавтор исследования.

Разные виды пиона

Согласно новому объяснению, пионы темной материи должны состоять из чего-то отличного от обычной материи. В первую очередь потому, что нечто, состоящее из обычных кварков, просто не будет напоминать поведением темную материю. (Хотя есть теории о том, что темная материя состоит из странных кварков).

Заряженные пионы состоят из верхнего кварка и анти-нижнего кварка или из нижнего и анти-верхнего кварка, тогда как нейтральные пионы состоят из верхнего кварка и анти-верхнего либо нижнего кварка и анти-нижнего.

В новой гипотезе пионы темной материи состоят из кварков темной материи, которые удерживаются вместе глюонами темной материи. (Обычные кварки удерживаются вместе обычными глюонами). Темные кварки, согласно математикам, не будут напоминать знакомые шесть типов, а темный глюон, в отличие от обычных глюонов, будет обладать массой.

Темные пионы и карликовые галактики

Другой соавтор работы, Хитоши Мураяма, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли, считает, что новая гипотеза может объяснить плотность некоторых видов карликовых галактик. Компьютерные расчеты показывают карликовые галактики с крайне плотными центральными регионами, но астрономы этого в небе не видят. «Если «симпы» распространены, распределение будет плоским и отлично подойдет в качестве объяснения», — говорит он.

Дэн Хупер, научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Иллинойсе, считает, что не совсем уверен, что для ответа на эту загадку о карликовых галактиках необходима такая модель темной материи. «Есть горстка людей, которые говорят, что карликовые галактики выглядят не так, как мы ожидаем. Но зачем городить огород? Люди показали, что это может быть вследствие нагрева газа». То есть газ, нагретый в центре карликовой галактики, будет обладать меньшей плотностью.

Большой адронный коллайдер очень скоро может решить этот вопрос в пользу одного из лагерей; будут ли «темные пионы» частицами темной материи или их нет, либо есть что-то другое. Ускорители частиц работают, сталкивая атомные ядра — обычно водорода, но бывают и ядра свинца, например, — почти на световой скорости. В результате столкновения рождаются новые частицы, порожденные энергией столкновения. Эти новые частицы являются своего рода «осколками».

Кафлик говорит, что если в процессе столкновения частиц будет выявлена «недостающая масса» (если точнее, масса-энергия), это будет мощным свидетельством в пользу темной материи, которую ищут исследователи. Как вы знаете, масса и энергия — переходные понятия; если продукты столкновения не будут соответствовать тем же количествам массы и энергии, с которых вы начинаете, это будет говорить в пользу существования неизвестной частицы, которая куда-то ушла незамеченной.

Впрочем, такие измерения проделать сложно, поскольку придется просеивать огромные объемы данных, чтобы выяснить, где, как и почему произошла утечка.

Другой способ отследить частицы темной материи может заключаться в детекторе на основе жидкого ксенона или германия, в котором электроны будут иногда сбиваться с атома проходящей частицей темной материи. Эксперименты, подобные этому, уже проводятся, к примеру, в рамках проекта LUX (Large Underground Xenon) в Южной Дакоте. Пока ничего найдено не было, но проект занимается поиском «вимпов» (то есть ищет немного другие частицы). Запланирован запуск новой версии эксперимента; он может выявить другие типы темной материи.