Российские физики вместе с итальянскими и французскими коллегами заявили, что всю жизнь искали темную материю не там, где надо, а точнее — слишком просто.
В Национальном исследовательском ядерном университете МИФИ сложилась международная группа ученых. Вместе с коллегами из Южного федерального университета, а также физиками из Италии и Франции под руководством главного научного сотрудника Института физики ЮФУ, профессора МИФИ Максима Хлопова, они взялись за старую загадку. Чтобы объяснить, из чего сделана темная материя, они предложили не очередную гипотетическую частицу, а целую «темную химию» — свою периодическую таблицу для невидимой вселенной, которая состоит из «темных атомов».
Астрофизики много лет ломают голову над главной головоломкой мироздания: галактики вращаются слишком быстро. Если бы существовала только видимая материя — звезды, газ и пыль, — гравитация просто разорвала бы их на части. Значит, есть нечто невидимое, но обладающее массой. Это нечто и назвали темной материей. Несмотря на десятки экспериментов, физики до сих пор не «поймали» ни одной ее частицы. А старая добрая гипотеза, что она состоит из тяжелых слабовзаимодействующих частиц (WIMP), сейчас переживает серьезный кризис.
Суть новой концепции вот в чем. Темная материя устроена не как россыпь одиночных частиц, а образует сложные структуры, похожие на привычные нам атомы водорода или гелия, только «темные». В этом темном секторе есть свои «электроны» и свои «протоны». Они взаимодействуют друг с другом через «темный фотон». Когда Вселенная остывала после Большого взрыва, эти частицы начали объединяться в атомы.
Профессор Максим Хлопов поясняет разницу между старой охотой и новым подходом:
В чем принципиальное отличие концепции «темной химии» с аналогами электронов, протонов и фотонов от прежней охоты за одной-единственной частицей темной материи? Следует отметить, что неизбежные расширения Стандартной модели фундаментальных взаимодействий, необходимые для решения ее проблем, предсказывают очень широкий круг возможных кандидатов на роль частиц скрытой массы. Прежнюю охоту за одним-единственным типом частиц скрытой массы — массивными слабовзаимодействующими частицами (WIMPs — Weakly Interacting Massive Particles) стимулировали расчеты их современной плотности, соответствующей наблюдаемой плотности скрытой массы, ожидание открытия суперсимметричных партнеров таких частиц на БАК и возможностью регистрации ядер отдачи от редких событий столкновения этих частиц в подземных детекторах. Отсутствие положительных результатов как поиска суперсимметричных частиц в БАК, так и эффектов ядер отдачи в подземных экспериментах заставляет обратиться к анализу других возможных форм скрытой массы.
В одной из моделей ученые предполагают существование сверхтяжелой частицы X с огромным отрицательным зарядом. Такая частица неизбежно захватывает легкие ядра обычного вещества, например ядра гелия. Так рождается «темный атом» — электрически нейтральный и ведущий себя как холодная невидимая материя. В научной статье в издании Physics исследователи детально разобрали процесс трехчастичной рекомбинации. Дело происходит как в обычной плазме: чтобы два противоположно заряженных «темных» электрона и протона образовали атом, нужен третий партнер, который заберет лишнюю энергию. Авторы показали, что этот механизм может работать гораздо эффективнее, чем считалось раньше. Расчеты подсказывают: если «темный заряд» достаточно велик, то к сегодняшнему дню почти вся темная материя успела «рекомбинировать», превратившись в смесь из нейтральных «темных атомов» и небольшой оставшейся ионизированной, то есть заряженной, фракции.
Рекомбинация — это процесс, при котором положительно заряженная частица (например, протон) и отрицательно заряженная частица (электрон) соединяются, чтобы сформировать нейтральный атом. Но просто сблизиться им недостаточно: при соединении выделяется лишняя энергия, и если ее некуда деть, пара разлетится обратно. Поэтому для успешной рекомбинации всегда нужен третий участник — еще одна частица, которая «заберет» эту энергию на себя, как прицеп, который принимает удар на себя при сцепке двух вагонов. В новой модели «темная рекомбинация» работает по тому же принципу, только вместо обычных протонов и электронов выступают их «темные» двойники, а энергию уносит «темный фотон». Эффективность этого процесса определяет, сколько темной материи осталось в заряженном виде, а сколько собралось в нейтральные «темные атомы».
Вот тут и возникает ключ к другой космической загадке. Больше десяти лет детектор AMS на Международной космической станции фиксирует подозрительно много позитронов — антиэлектронов, — прилетающих из глубин космоса. Это так называемая «позитронная аномалия». Ее можно объяснить распадом частиц темной материи, но есть загвоздка: тогда в космосе должен наблюдаться и фон гамма-излучения, которого астрономы почему-то не видят. Концепция «темных атомов» дает элегантное объяснение. Оставшаяся ионизированная часть темной плазмы может скапливаться в диске нашей Галактики — как и обычное вещество. Именно она, распадаясь, рождает позитроны. А нейтральные «темные атомы» образуют огромное гало, которое не светит в гамма-диапазоне. Так модель объясняет оба явления разом.
Еще одна статья в издании Universe посвящена прямому поиску «темных атомов» прямо на Земле. Речь идет о старой многолетней аномалии итальянского детектора DAMA/LIBRA. Этот прибор видит сезонное изменение количества лишних вспышек в кристалле йодида натрия. Согласно расчетам физиков МИФИ, это могут быть следы «темных атомов» гелия, пролетающих сквозь нашу планету. В отличие от одиночных частиц, «темный атом» по замыслу авторов — это большой и тяжелый объект массой до 11 ТэВ, то есть тяжелее ядра свинца. Пролетая сквозь горную породу, он тормозится до тепловых скоростей и медленно пробирается к центру Земли. Добравшись до детектора, такой атом может «прилипнуть» к ядру натрия, образовав экзотическое связанное состояние, и испустить при этом фотон с энергией как раз в диапазоне 1–6 кэВ. Исходя из модели, сигнал должен колебаться с частотой один год — Земля то движется навстречу потоку темной материи, то убегает от него. Это идеально совпадает с закономерностью, которую 20 лет фиксирует DAMA.
И второе: сигнал должен быть максимальным для легких ядер, таких как натрий, и почти исчезать для тяжелых, например ксенона. Это, по мнению ученых, объясняет, почему аномалию видят одни установки на йодиде натрия, но не видят другие, работающие на жидком ксеноне. Российские ученые — авторы концепции продолжают работу. Сейчас они разрабатывают квантово-механические модели, которые точно опишут, как именно «темный атом» связывается с обычным веществом, а также ищут параметры, при которых модель будет соответствовать всем накопленным данным.
Исследования поддержаны грантами Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
До этой работы физики в основном искали одну частицу: вимп, аксион или стерильное нейтрино. Подход «темной химии» предлагает не отказ от поиска частиц, а усложнение картины — переход от одиночек к составным системам со своими силами взаимодействия. Это не лабораторный результат (экспериментально модель пока не подтверждена), а теоретический сдвиг, который переформулирует правила игры. Предыдущие поиски вимпов на Большом адронном коллайдере и в подземных детекторах не дали результата, и это заставило серьезно отнестись к альтернативам. Новая работа — именно такая альтернатива. Она пока не вышла в практику и даже не получила экспериментального подтверждения, но заметно меняет ландшафт гипотез: теперь вместо охоты на одного зверя ученые предлагают искать целый зоопарк.
Главные конкуренты концепции «темных атомов» — это:
- Модели с аксионами (сверхлегкие волноподобные частицы).
- Модели с темными фотонами (частицы-переносчики нового взаимодействия).
- Модифицированная ньютоновская динамика (MOND) — попытка изменить законы гравитации вместо введения темной материи.
Сильные стороны новой разработки: она естественным образом объясняет сразу две аномалии — позитронную (AMS) и сезонную (DAMA/LIBRA), тогда как конкуренты обычно объясняют что-то одно. Слабые стороны: модель более сложная, у нее больше свободных параметров (массы, заряды, константы связи), которые можно подгонять под данные. Это делает ее менее красивой и предсказательной, чем, скажем, простая модель одного типа вимпов. Кроме того, MOND пока лучше предсказывает вращение конкретных галактик без подгонок, хотя и проваливается в космологических масштабах.
Главный подвох в том, что пока нет ни одного прямого независимого эксперимента, подтвердившего существование «темных атомов». Данные DAMA/LIBRA, на которые опираются авторы, многие физики считают спорными — этот детектор известен тем, что его сигнал не могут воспроизвести другие, более чувствительные установки. Авторы объясняют это особенностями вещества (натрий против ксенона), но критики скажут, что это удобная отговорка. Слабое место метода: модель требует существования «темного фотона» и нового сверхтяжелого заряда, которые никто никогда не видел. Воспроизводимость расчетов пока чисто теоретическая — разные группы могут получить разные скорости рекомбинации при малейшем изменении допущений.
Ранее ученые выяснили, где прячется темная материя.