Международная группа физиков, ключевую роль в которой играют ученые из Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» и Южного федерального университета, предложила принципиально новый взгляд на природу темной материи. Вместо того чтобы искать одну загадочную частицу, исследователи под руководством профессора МИФИ Максима Хлопова создали концепцию «темной химии», где невидимая масса Вселенной состоит из сложных структур — своеобразных «темных атомов», взаимодействующих по собственным законам. Эта гипотеза способна одновременно решить несколько астрофизических загадок, десятилетиями ставивших науку в тупик.
Главная головоломка мироздания
Много лет астрофизики бьются над необъяснимым явлением: галактики вращаются слишком быстро. Если бы существовала только видимая материя — звезды, газ и пыль, — гравитация просто разорвала бы их на части. Расчеты показывают, что для удержания звезд на своих орбитах необходима дополнительная масса, которая никак себя не проявляет, кроме как через гравитацию. Это нечто назвали темной материей. По оценкам, она составляет примерно 85 процентов всей материи Вселенной, но природа её остается неизвестной.
Несмотря на десятки экспериментов, физики до сих пор не смогли «поймать» ни одной частицы темной материи. Стандартная гипотеза о том, что она сложена тяжелыми, слабо взаимодействующими с обычным веществом частицами (так называемыми WIMP), переживает кризис: прямые поиски на Большом адронном коллайдере и в подземных детекторах не дали результатов. Это вынуждает ученых искать альтернативные объяснения.
«Темная химия» вместо одиночной частицы
Суть новой концепции, разработанной при участии специалистов из Италии и Франции, заключается в том, что темная материя может состоять не из одного типа частиц, а образовывать сложные структуры, подобно привычным нам атомам водорода или гелия, но только из «темных» компонентов. В этом «темном секторе» есть свои аналоги электронов и протонов, которые взаимодействуют друг с другом через «темный фотон». Когда ранняя Вселенная остывала, эти частицы начали объединяться, формируя нейтральные «темные атомы».
Профессор Максим Хлопов поясняет: «В чём принципиальное отличие концепции «тёмной химии» от прежней охоты за одной-единственной частицей тёмной материи? Расширения Стандартной модели предсказывают очень широкий круг возможных кандидатов на роль частиц скрытой массы. Отсутствие положительных результатов поиска суперсимметричных частиц и эффектов ядер отдачи в подземных экспериментах заставляет обратиться к анализу других возможных форм скрытой массы».
Как это объясняет космические аномалии
Предложенная модель способна красиво разрешить сразу две загадки, над которыми физики бились годами.
Первая — так называемая «позитронная аномалия». Детектор AMS на Международной космической станции уже более десяти лет фиксирует подозрительно много позитронов — античастиц электронов, прилетающих из глубин космоса. Это можно было бы объяснить распадом частиц темной материи, но тогда в космосе должен наблюдаться и соответствующий фон гамма-излучения, которого астрономы не видят. Концепция «темных атомов» предлагает элегантное решение: оставшаяся ионизированная часть темной плазмы сосредоточена в диске Галактики и, распадаясь, рождает позитроны. А нейтральные «темные атомы» образуют огромное гало, которое не светит в гамма-диапазоне. Так модель объясняет оба явления одновременно.
Вторая аномалия связана с экспериментом DAMA/LIBRA в Италии. Его детектор на протяжении двадцати лет фиксирует сезонные колебания количества вспышек в кристалле йодида натрия, что можно интерпретировать как прохождение частиц темной материи сквозь Землю. Согласно расчетам физиков МИФИ, это могут быть следы именно «темных атомов» гелия. Такой «атом», будучи очень тяжелым (до 11 ТэВ, что тяжелее ядра свинца), при пролете сквозь горную породу тормозится и диффундирует к центру планеты. Достигнув детектора, он может вступить в реакцию с ядром натрия, испустив фотон в нужном диапазоне энергий. Сигнал должен колебаться с годовым циклом — и это идеально совпадает с данными DAMA.
Исследователи 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 гипотеза будет соответствовать всем накопленным наблюдательным данным. Исследования поддержаны грантами Российского научного фонда и Минобрнауки России.
