Темная материя остается одной из величайших загадок современной физики. Ясно, что она должна существовать, потому что без темной материи, например, нельзя объяснить движение галактик. Но никогда не было возможности обнаружить темную материю в эксперименте.

В настоящее время есть много предложений для новых экспериментов: Они направлены на обнаружение темной материи непосредственно через ее рассеяние на составляющих атомных ядер среды обнаружения, т. е. протонов и нейтронов.

Группа исследователей — Роберт МакГихи и Аарон Пирс из Мичиганского университета и Гилли Элор из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга в Германии — предложили нового кандидата на роль темной материи: HYPER, или «высокоинтерактивные реликвии частиц».

В модели HYPER через некоторое время после образования темной материи в ранней Вселенной резко возрастает сила ее взаимодействия с нормальной материей, что, с одной стороны, делает ее потенциально обнаружимой сегодня и в то же время может объяснить обилие темная материя.

Новое разнообразие в секторе темной материи

Поскольку поиск тяжелых частиц темной материи, или так называемых WIMPS, пока не привел к успеху, исследовательское сообщество ищет альтернативные частицы темной материи, особенно более легкие. В то же время, как правило, можно ожидать фазовых переходов в темном секторе — в конце концов, в видимом секторе их несколько, говорят исследователи. Но предыдущие исследования, как правило, игнорировали их.

«Не существует согласованной модели темной материи для диапазона масс, к которому надеются получить доступ некоторые запланированные эксперименты. Однако наша модель HYPER показывает, что фазовый переход действительно может помочь сделать темную материю более легко обнаруживаемой», — сказал Элор, исследователь с докторской степенью. по теоретической физике в JGU.

Проблема подходящей модели: если темная материя слишком сильно взаимодействует с нормальной материей, ее (точно известное) количество, образовавшееся в ранней Вселенной, будет слишком маленьким, что противоречит астрофизическим наблюдениям. Однако, если ее производить в нужном количестве, взаимодействие, наоборот, будет слишком слабым для обнаружения темной материи в современных экспериментах.

«Наша центральная идея, которая лежит в основе модели HYPER, заключается в том, что взаимодействие резко меняется один раз, поэтому мы можем получить лучшее из обоих миров: нужное количество темной материи и большое взаимодействие, чтобы мы могли его обнаружить», — сказал МакГихи.

И вот как это представляют себе исследователи: в физике элементарных частиц взаимодействие обычно опосредовано конкретной частицей, так называемым посредником, — то же самое относится и к взаимодействию темной материи с нормальной материей. И образование темной материи, и ее функция обнаружения через этого посредника, причем сила взаимодействия зависит от ее массы: чем больше масса, тем слабее взаимодействие.

Медиатор должен сначала быть достаточно тяжелым, чтобы образовалось правильное количество темной материи, а затем достаточно легким, чтобы темную материю вообще можно было обнаружить. Решение: после образования темной материи произошел фазовый переход, во время которого масса медиатора резко уменьшилась.

«Таким образом, с одной стороны, количество темной материи поддерживается постоянным, а с другой стороны, взаимодействие усиливается или усиливается таким образом, что темную материю можно обнаружить напрямую», — сказал Пирс.

Новая модель охватывает практически весь диапазон параметров планируемых экспериментов.

«Модель темной материи HYPER способна охватить почти весь диапазон, доступный благодаря новым экспериментам», — сказал Элор.

В частности, исследовательская группа сначала сочла, что максимальное сечение опосредованного посредником взаимодействия с протонами и нейтронами атомного ядра согласуется с астрофизическими наблюдениями и некоторыми распадами в физике элементарных частиц. Следующим шагом было рассмотрение вопроса о том, существует ли модель темной материи, демонстрирующая это взаимодействие.

«И здесь нам пришла в голову идея фазового перехода», — сказал МакГихи. «Затем мы рассчитали количество темной материи, существующей во Вселенной, а затем смоделировали фазовый переход, используя наши расчеты».

Необходимо учитывать очень много ограничений, таких как постоянное количество темной материи.

«Здесь мы должны систематически рассматривать и включать очень много сценариев, например, задавая вопрос, действительно ли точно известно, что наш посредник не приведет к внезапному образованию новой темной материи , чего, конечно же, быть не должно», — сказал Элор. . «Но в итоге мы убедились, что наша модель HYPER работает».