Международная группа ученых с участием специалистов из НИЯУ МИФИ и Южного федерального университета разработала новую модель для объяснения темной материи.
На протяжении многих десятилетий ученые пытаются разгадать одну из самых загадочных тайн Вселенной. Наблюдения показывают, что галактики вращаются с такой скоростью, которую невозможно объяснить наличием лишь видимого вещества – звезд, межзвездного газа и космической пыли. Согласно известным законам гравитации, при такой динамике галактические структуры должны были бы распасться. Следовательно, во Вселенной присутствует невидимая субстанция, создающая дополнительное гравитационное воздействие. Именно ее принято называть темной материей.
Однако, несмотря на многочисленные исследования и использование самых чувствительных детекторов, прямых свидетельств существования частиц темной материи до сих пор не получено. Особенно сложной стала ситуация для популярной концепции WIMP (Weakly Interacting Massive Particles – массивные слабовзаимодействующие частицы), которая долгое время считалась основным кандидатом на роль темной материи. Результаты последних экспериментов существенно ограничили область ее возможного существования, поставив эту гипотезу под серьезное сомнение.
Новая концепция предполагает, что невидимая масса состоит не из одиночных частиц, а образует сложные структуры, подобные обычным атомам, сообщается на сайте Минобрнауки. В этом «темном секторе» существуют свои аналоги электронов, протонов и фотонов, которые объединились в ранней Вселенной.
«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», – рассказал руководитель исследования, профессор МИФИ Максим Хлопов. Он добавил, что отсутствие результатов поиска суперсимметричных частиц заставляет искать другие формы скрытой массы.
Модель предсказывает существование сверхтяжелой частицы с огромным отрицательным зарядом, которая захватывает ядра гелия, образуя нейтральный «темный атом». Ученые подсчитали, что к настоящему времени почти вся темная материя превратилась в смесь нейтральных атомов и небольшой ионизированной фракции. Эта теория также объясняет «позитронную аномалию», которую более десяти лет фиксирует детектор AMS на МКС.
Отдельное исследование посвящено попытке обнаружить так называемые «темные атомы» непосредственно на Земле. В центре внимания находится давняя загадка эксперимента DAMA/LIBRA в Италии. На протяжении многих лет этот детектор регистрирует периодические изменения числа необъяснимых событий в кристаллах йодида натрия. Специалисты МИФИ предполагают, что причиной такого эффекта могут быть частицы темной материи особого типа — «темные атомы» гелия, проходящие через толщу нашей планеты.
В рамках предложенной модели такой объект представляет собой не элементарную частицу, а массивную связанную систему с массой до 11 ТэВ, что значительно превышает массу ядра свинца. Проникая сквозь земные породы, «темный атом» постепенно теряет энергию, замедляется до тепловых скоростей и начинает медленно смещаться в направлении центра Земли. При попадании в детектор он способен вступать во взаимодействие с ядрами натрия, формируя необычное связанное состояние. Этот процесс сопровождается испусканием фотона с энергией от 1 до 6 кэВ — именно в таком диапазоне и наблюдаются аномальные сигналы.
Расчеты показывают, что интенсивность подобных событий должна изменяться в течение года. Причина заключается в движении Земли относительно предполагаемого потока темной материи: в разные периоды планета либо движется ему навстречу, либо удаляется от него. Такая годовая модуляция удивительно хорошо согласуется с данными, которые установка DAMA/LIBRA фиксирует уже около двух десятилетий.
Еще одним важным следствием модели является зависимость эффекта от типа атомных ядер в детекторе. Наиболее заметный сигнал должен возникать в веществах с легкими ядрами, например в натрии, тогда как для тяжелых элементов, таких как ксенон, вероятность взаимодействия значительно ниже. По мнению авторов работы, именно этим можно объяснить, почему аномальный сигнал наблюдается в экспериментах на основе йодида натрия, но отсутствует в установках, использующих жидкий ксенон.
Ранее аргентинские исследователи смоделировали ядро Галактики из экзотической формы темной материи.
Физики из США и Швейцарии нашли доказательства существования невидимой теневой вселенной.
Российские ученые описали способные вызывать землетрясения невидимые астероиды из темной материи.