Черные дыры могут быть мощными коллайдерами частиц для поиска темной материи

Фото из открытых источников

Чтобы раскрыть секреты темной материи, ученые могли бы обратиться к сверхмассивным черным дырам и их способности действовать как естественные сверхмощные коллайдеры частиц. Это согласно новому исследованию, которое обнаружило, что условия вокруг черных дыр более агрессивны, чем считалось ранее. Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.

В настоящее время самым мощным ускорителем частиц на Земле является Большой адронный коллайдер (БАК) , но с тех пор, как в 2012 году с его помощью был открыт бозон Хиггса, он не смог предоставить доказательства физики за пределами так называемой « стандартной модели физики элементарных частиц », включая частицы, составляющие темную материю.

Это побудило ученых предложить и спланировать еще более крупные и мощные коллайдеры частиц для исследования этой пока еще неизведанной страны физики. Однако эти ускорители частиц непомерно дороги и требуют много времени для строительства. К счастью, космос предлагает естественные ускорители частиц в виде экстремальных сред вокруг сверхмассивных черных дыр. Нам просто нужно немного изобретательности, чтобы использовать их.

«Одна из самых больших надежд на коллайдеры частиц, такие как LHC, заключается в том, что они будут генерировать частицы темной материи, но мы пока не видели никаких доказательств», — сказал соавтор исследования Джозеф Силк из Университета Джонса Хопкинса. «Вот почему ведутся обсуждения о создании гораздо более мощной версии, суперколлайдера следующего поколения. Но пока мы инвестируем 30 миллиардов долларов и ждем 40 лет, чтобы построить этот суперколлайдер, природа может дать нам представление о будущем сверхмассивных черных дыр».

Темная материя — это таинственное вещество, которое, по-видимому, составляет около 85% всей материи в космосе. Это означает, что материя, которую мы понимаем — все, что мы видим вокруг себя и что состоит из атомов, состоящих из электронов, протонов и нейтронов — составляет всего 15% вещества во Вселенной.

Темная материя остается удручающе неуловимой, потому что она не взаимодействует со светом, что делает ее фактически невидимой. Вот почему мы знаем, что она не может состоять из стандартных атомов, потому что эти частицы взаимодействуют со светом. Это подстегнуло поиск новых частиц, которые могли бы составлять темную материю, причем большая часть этих усилий была проведена с использованием ускорителей частиц, таких как LHC.

Искусственно созданные ускорители частиц, такие как LHC, позволяют ученым исследовать фундаментальные аспекты природы, сталкивая частицы, такие как протоны, на околосветовых скоростях. Это создает вспышки энергии и ливни короткоживущих частиц. В этих ливнях ученые охотятся за до сих пор не обнаруженными частицами.

Тестовые частицы, такие как протоны, ускоряются и направляются друг к другу в Большом адронном коллайдере и других «ускорителях атомов» с помощью невероятно сильных магнитов, но сверхмассивные черные дыры могли бы имитировать этот процесс, используя гравитацию и собственные спины.

Сверхмассивные черные дыры с массой в миллионы или миллиарды раз больше массы Солнца, находящиеся в центре галактик, часто окружены материалом в сплющенных облаках, называемых «аккреционными дисками». Поскольку эти черные дыры вращаются с высокой скоростью, часть этого материала направляется к их полюсам, откуда он выбрасывается в виде струй плазмы со скоростью, близкой к скорости света.

Это явление может вызвать эффекты, подобные тем, которые наблюдаются в ускорителях частиц здесь, на Земле.

«Если сверхмассивные черные дыры могут генерировать эти частицы путем столкновений протонов высокой энергии, то мы могли бы получить сигнал на Земле, какую-то действительно высокоэнергетическую частицу, быстро проходящую через наши детекторы», — сказал Силк. «Это было бы доказательством нового коллайдера частиц внутри самых загадочных объектов во Вселенной, достигающего энергий, которые были бы недостижимы ни в одном земном ускорителе. Мы бы увидели что-то со странной сигнатурой, которая, предположительно, является доказательством существования темной материи, что является небольшим скачком, но это возможно».

Ключ к рецепту Силка и его коллег по созданию сверхмассивных черных дыр в качестве суперколлайдеров зависит от их открытия того, что потоки газа вблизи черных дыр могут высасывать энергию из вращения этой черной дыры. Это приводит к тому, что условия в газе становятся гораздо более агрессивными, чем ожидалось.

Таким образом, вокруг вращающихся сверхмассивных черных дыр должно происходить множество высокоскоростных столкновений частиц, подобных тем, что создаются в LHC здесь, на Земле.

«Некоторые частицы из этих столкновений попадают в горловину черной дыры и исчезают навсегда», — сказал Силк. «Но из-за своей энергии и импульса некоторые также выходят, и именно те, которые выходят, ускоряются до беспрецедентно высоких энергий. Очень сложно сказать, каков предел, но они, безусловно, соответствуют энергии новейшего суперколлайдера, который мы планируем построить, поэтому они определенно могут дать нам дополнительные результаты».

Конечно, поймать эти высокоэнергетические частицы из сверхмассивных суперколлайдеров, находящихся на расстоянии многих световых лет, будет непросто, даже если теория команды верна. Ключом к этому обнаружению могут стать обсерватории, уже отслеживающие сверхновые, извержения черных дыр и другие высокоэнергетические космические события.

«Разница между суперколлайдером и черной дырой в том, что черные дыры находятся далеко», — заключил Силк. «Но тем не менее эти частицы доберутся до нас».