Важка темна матерія руйнує наше розуміння Всесвіту: які висновки зробили фізики.

Фізики дійшли висновку, що темна матерія не може бути занадто важкою, тобто складатися з дуже масивних часток, оскільки це може зруйнувати наше розуміння Всесвіту. Дослідження опубліковано на сервері препринтів arXiv, пише Space.

Дивні явища у Всесвіті

Фізики вже мають безліч доказів того, що у Всесвіті відбувається щось дивне. Зірки обертаються навколо центру галактик занадто швидко. Самі галактики рухаються всередині скупчень галактик занадто швидко. Крупномасштабні структури у Всесвіті ростуть занадто швидко. Якщо враховувати лише звичайну матерію, то її гравітації недостатньо, щоб пояснити ці дивні явища.

Тому більшість вчених вважають, що всі ці аномалії у Всесвіті можна пояснити наявністю темної матерії, яка має масу, електрично нейтральна і майже ніколи не взаємодіє зі звичайною матерією. Вважається, що темна матерія становить більшу частину маси у Всесвіті, і її приблизно в 5 разів більше, ніж матерії, яку ми бачимо.

Маса часток темної матерії

Експерименти, спрямовані на виявлення рідкісних взаємодій між темною і звичайною матерією, не дали жодних результатів. Але ці експерименти були зосереджені на певному діапазоні мас: приблизно від 10 до 1000 гігаелектронвольт (ГеВ). У цьому діапазоні мас знаходяться найважчі відомі елементарні частки, такі як істинний кварк і W-бозон.

Фізики поставили питання: чи може темна матерія бути легшою або важчою, ніж ми думали? Тобто чи може вона складатися з більш легких або більш важких часток? Автори дослідження дійшли висновку, що темна матерія не може бути занадто важкою, інакше це зруйнує нашу найкращу модель Всесвіту.

Темна матерія дуже рідко взаємодіє зі звичайною матерією. У найранішій Всесвіті, коли вона була більш гарячою і густою, такі взаємодії відбувалися набагато частіше. Коли Всесвіт почав остигати і розширюватися, ці взаємодії сповільнилися, а потім майже повністю припинилися, тому темна матерія стала невидимою.

Проблема важкої темної матерії та бозон Хіггса

Існує безліч моделей потенційних елементарних часток, з яких може складатися темна матерія. Але ці частки в більшості випадків взаємодіють зі звичайними частками за допомогою бозона Хіггса. Це фундаментальна частка Всесвіту, яка взаємодіє майже з усіма іншими частками і надає їм масу. Фізики вже знають приблизну масу бозона Хіггса — 125 ГеВ. Автори дослідження виявили, що ця маса накладає верхню межу на те, яку масу можуть мати частки темної матерії.

Проблема в тому, що бозон Хіггса взаємодіє як з темною матерією, так і зі звичайною матерією, і у багатьох моделях є зв'язуючим звеном між ними. Але обидва види матерії також взаємодіють з бозоном Хіггса. Ці взаємодії виглядають як незначні зміни маси бозона Хіггса.

Фізики з'ясували, що якщо частки темної матерії мають масу більше кількох тисяч ГеВ, то їхній внесок у зміну маси бозона Хіггса буде надзвичайно великим. Оскільки бозон Хіггса відіграє важливу роль у визначенні багатьох фундаментальних фізичних явищ, у такому разі він би повністю відключив взаємодії часток.

Легка темна матерія

Водночас, як вважають фізики, темна матерія може зовсім не взаємодіяти зі звичайною матерією, або ж таке взаємодія може відбуватися за допомогою якогось екзотичного механізму, де не задіяний бозон Хіггса.

З іншого боку, темна матерія може бути легшою, ніж ми думаємо, тобто складатися з дуже легких часток. Наприклад, вважається, що такими частками можуть бути сверхлегкі аксіони. У цьому випадку жодних руйнувань моделі Всесвіту не має статися. Вчені вважають, що якщо їхні висновки підтвердяться, то потрібно шукати частки темної матерії з малою, а не великою масою.