Темная материя, неуловимая субстанция, составляющая большую часть массы Вселенной, может состоять из массивных частиц, называемых гравитонами, которые впервые появились в первый момент после Большого взрыва.
И эти гипотетические частицы могут быть космическими беженцами из дополнительных измерений, предполагает новая теория.
Расчеты исследователей намекают на то, что эти частицы могли быть созданы в нужных количествах, чтобы объяснить темную материю, которую можно «увидеть» только через ее гравитационное притяжение к обычной материи.
«Массивные гравитоны образуются в результате столкновений обычных частиц в ранней Вселенной.
Считалось, что этот процесс слишком редок, чтобы массивные гравитоны могли быть кандидатами в темную материю», — сказал Live Science соавтор исследования Джакомо Каччапалья, физик из Лионского университета во Франции.
Исследование показало, что гравитоны, если они существуют, будут иметь массу менее 1 мегаэлектронвольта (МэВ), то есть не более чем в два раза больше массы электрона.
Этот уровень массы значительно ниже масштаба, при котором бозон Хиггса генерирует массу обычной материи, что является ключевым моментом для модели, позволяющей производить достаточное их количество, чтобы объяснить всю темную материю во Вселенной. (Для сравнения, по данным Национального института стандартов и технологий, самая легкая известная частица, нейтрино, весит менее 2 электронвольт, а протон весит примерно 940 МэВ.)
Команда обнаружила эти гипотетические гравитоны во время поиска свидетельств существования дополнительных измерений, которые, как подозревают некоторые физики, существуют наряду с наблюдаемыми тремя измерениями пространства и четвертым измерением, временем.
Согласно теории команды, когда гравитация распространяется через дополнительные измерения, она материализуется в нашей Вселенной в виде массивных гравитонов.
Но эти частицы будут слабо взаимодействовать с обычным веществом и только через силу тяжести.
Это описание устрашающе похоже на то, что мы знаем о темной материи, которая не взаимодействует со светом, но имеет гравитационное влияние, которое ощущается повсюду во Вселенной. Это гравитационное влияние, например, предотвращает разлетание галактик.
«Основное преимущество массивных гравитонов как частиц темной материи заключается в том, что они взаимодействуют только гравитационно, поэтому они могут избежать попыток обнаружить их присутствие», — сказал Каччапалья.
Напротив, другие предполагаемые кандидаты в темную материю, такие как слабо взаимодействующие массивные частицы, аксионы и нейтрино, также могут ощущаться благодаря их очень тонким взаимодействиям с другими силами и полями.
Тот факт, что массивные гравитоны почти не взаимодействуют посредством гравитации с другими частицами и силами во Вселенной, дает еще одно преимущество.
«Из-за их очень слабых взаимодействий они распадаются так медленно, что остаются стабильными в течение всего времени жизни Вселенной, — сказал Каччапалья. — По той же причине они медленно производятся во время расширения Вселенной и накапливаются там до сегодняшнего дня».
В прошлом физики считали гравитоны маловероятными кандидатами в темную материю, потому что процессы, которые их создают, чрезвычайно редки. В результате гравитоны будут создаваться гораздо медленнее, чем другие частицы.
Но команда обнаружила, что за пикосекунду (триллионную долю секунды) после Большого взрыва было создано больше этих гравитонов, чем предполагалось в прошлых теориях.
Исследование показало, что этого увеличения было достаточно для массивных гравитонов, чтобы полностью объяснить количество темной материи, которое мы обнаруживаем во Вселенной.
«Улучшение действительно стало шоком», — сказал Каччапалья. «Нам пришлось выполнить множество проверок, чтобы убедиться, что результат был правильным, поскольку это приводит к сдвигу парадигмы в том, как мы рассматриваем массивные гравитоны в качестве потенциальных кандидатов в темную материю».
Поскольку массивные гравитоны формируются ниже энергетического масштаба бозона Хиггса, они свободны от неопределенностей, связанных с более высокими энергетическими масштабами, которые современная физика элементарных частиц не очень хорошо описывает.
Теория команды связывает физику, изучаемую на ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер, с физикой гравитации.
Это означает, что мощные ускорители частиц, такие как Будущий круговой коллайдер в ЦЕРНе, который должен начать работу в 2035 году, могут искать доказательства этих потенциальных частиц темной материи.
«Вероятно, лучшее, что у нас есть, — это будущие высокоточные коллайдеры частиц», — сказал Каччапалья. «Это то, что мы в настоящее время расследуем».