Темная материя могла образоваться в скрытом «зеркальном мире» на заре Вселенной

Фото из открытых источников

Два недавних исследования, проведенных под руководством профессора Стефано Профумо из Калифорнийского университета в Санта-Крузе (UCSC), предлагают инновационные теории, которые пытаются ответить на один из самых фундаментальных вопросов современной физики: какова природа темной материи?

Хотя наука подтвердила его существование (на долю которого приходится почти 80% всей материи во Вселенной), ее происхождение и свойства остаются загадкой.

Исследование, опубликованное в Physical Review D, рассматривает альтернативные механизмы традиционным моделям частиц, предполагая, что темная материя могла образоваться в экстремальных условиях в ранней Вселенной, без необходимости обнаруживаемых взаимодействий с обычной материей.

Исследование предполагает возможность возникновения тёмной материи в скрытом секторе – своего рода параллельной реальности, управляемой собственными частицами и силами, но подчиняющейся физическим законам, аналогичным законам известной Вселенной. Эта идея основана на квантовой хромодинамике (КХД) – теории, объясняющей, как кварки связываются, образуя протоны и нейтроны посредством сильного ядерного взаимодействия.

Профумо и его команда предполагают, что в этом тёмном секторе может существовать «тёмная» версия квантовой хромодинамики (КХД), где такие частицы, как тёмные кварки и тёмные глюоны, объединяются, образуя тёмные барионы. В экстремальных условиях ранней Вселенной эти барионы могли коллапсировать под действием гравитации, порождая сверхплотные первичные чёрные дыры или объекты с аналогичными свойствами.

Эти объекты с массами чуть выше планковской шкалы — базовой единицы квантовой гравитации — были бы невидимы для детекторов частиц, поскольку взаимодействовали бы только гравитационно. Однако их присутствие могло бы объяснить распределение тёмной материи в космосе.

Эта теория избегает опоры на неоткрытые экзотические частицы и основана на уже установленных физических принципах, таких как калибровочные теории SU(N), которые широко изучаются в физике элементарных частиц.

Второе исследование рассматривает ещё более смелую гипотезу: тёмная материя могла образоваться в период ускоренного расширения Вселенной вскоре после космической инфляции. По мнению Профумо, если космос пережил фазу сверхбыстрого роста, хотя и менее интенсивного, чем инфляция, то сам «космический горизонт» (аналог горизонта событий чёрной дыры) мог «излучать» стабильные частицы, порождая тёмную материю.

Этот механизм, основанный на квантовой теории поля в искривлённом пространстве-времени, не требует предположений о взаимодействиях тёмной материи, а лишь её стабильности и гравитационного происхождения. Идея основана на эффекте Унру-Хокинга – явлении, предсказывающем, что наблюдатель вблизи горизонта событий будет воспринимать тепловое излучение, обусловленное квантовыми эффектами.

Оба сценария весьма спекулятивны, но предлагают самостоятельные и вычисляемые структуры, не зависящие от традиционных моделей, которые все чаще подвергаются сомнению из-за нулевых результатов экспериментов, объяснил Профумо.

Калифорнийский университет в Санта-Крузе имеет давние традиции в области космологии и физики элементарных частиц, внося вклад в разработку модели лямбда-CDM, описывающей эволюцию Вселенной. Такие учёные, как Майкл Дайн и Эйб Сайден, заложили теоретические и экспериментальные основы в таких областях, как квантовая хромодинамика и аксионы, ещё один кандидат на роль тёмной материи.

Профумо подчёркивает, что эти новые теории сохраняют связь с известной физикой, избегая беспочвенных спекуляций. Он отметил, что обе работы исследуют, как глубинные принципы физики частиц могут проявляться в крупномасштабной структуре космоса.

Хотя обе идеи ещё требуют наблюдательной проверки, они предлагают альтернативные пути в области, где традиционные эксперименты, такие как детекторы WIMP (слабо взаимодействующих массивных частиц), не дали убедительных результатов. Тем временем учёные продолжают искать ответы в самых тёмных уголках Вселенной.