Темная материя может состоять из гравитонов
Темная материя, до сих пор невидимый материал, который, как считается, составляет большую часть нашей Вселенной, активно исследуется в надежде обнаружить ее напрямую и понять, из чего она состоит. Нейтрино, Вимп (гипотетическая слабовзаимодействующая массивная частица) и аксионы входят в число частиц, изучаемых в качестве вероятных составляющих этой загадочной материи. Недавно физики предложили другие частицы-кандидаты, массивные частицы, называемые гравитонами.
Гравитон - это гипотетический квант гравитации, элементарная частица, опосредующая силу гравитационного взаимодействия. Считается, что эти массивные частицы возникли при рождении Вселенной, в столкновениях между обычными частицами в самые первые моменты после Большого взрыва. Согласно теории, они должны быть бозонами с нулевой массой и спином 2. Однако доказательств их существования так и не было представлено. Джакомо Каччапалья, физик из Института физики двух бесконечных тел в Лионе, и два физика из Корейского университета, Хайин Кай и Сын Дж. Ли, изучили возможность того, что эти гравитоны являются составляющими темной материи.
До сих пор эта гипотеза не рассматривалась: процесс образования гравитонов считался слишком редким, чтобы объяснить количество темной материи, обнаруженной сегодня во Вселенной; гравитоны, образующиеся менее быстро, поэтому их количество было бы слишком мало по сравнению с другими обычными частицами. Но в своем новом исследовании три физика показывают, что в ранней Вселенной все-таки могло быть произведено достаточное количество гравитонов. Если бы они существовали, гравитоны имели бы массу менее 1 мегаэлектронвольта (МэВ) - на порядок меньше, чем масса, на которой бозон Хиггса создает массу обычной материи.
Трое физиков рассматривали гравитоны, пытаясь найти доказательства существования дополнительных измерений - измерений, отличных от трех, которые описывают пространство, и четвертого измерения, представленного временем. "Наше началось с изучения дополнительных измерений, особенно искаженных дополнительных измерений, которые широко изучались в течение последних 20 лет", — рассказывает Каччапалья в интервью Phys.org.
Теоретически, если бы гравитация распространялась через эти дополнительные измерения, она материализовалась бы в нашей Вселенной в виде массивных гравитонов, которые взаимодействовали бы с обычной материей только очень слабо, через силу гравитации - описание, которое соответствует тому, что мы знаем о темной материи сегодня.
Темная материя не чувствительна к электромагнитным силам, поэтому она не может поглощать, отражать или излучать свет, что делает ее чрезвычайно сложной для обнаружения. Сегодня ее существование можно предположить только на основании гравитационного эффекта, который она, по-видимому, оказывает на видимую материю, причем это влияние она оказывает на всю Вселенную - считается, что темная материя является причиной сцепления галактик.
Тот факт, что гравитоны очень слабо и только посредством гравитации взаимодействуют с обычной материей, может, наконец, объяснить, как они могут составлять почти 27% от общей плотности энергии сегодняшней Вселенной. "Благодаря очень слабому взаимодействию они распадаются так медленно, что остаются стабильными на протяжении всей жизни Вселенной. По той же причине они медленно производятся во время расширения Вселенной и накапливаются там до сегодняшнего дня", — объясняет Каччапалья.
Гравитоны не только были бы чрезвычайно стабильными, но исследователи также обнаружили, что, вопреки предсказаниям предыдущих теорий, сразу после Большого взрыва (в пикосекунду после события, если быть точным) было бы произведено гораздо больше гравитонов - количество, которое априори достаточно для объяснения количества темной материи, составляющей сегодняшнюю Вселенную. "Вычислив скорость производства этих частиц, мы обнаружили, что некоторые процессы усиливаются ниже масштаба, на котором бозон Хиггса создает массы обычных частиц, через одну пикосекунду после Большого взрыва", — рассказал Каччапалья Phys.org.
"Улучшение было действительно шоком. Нам пришлось провести много проверок, чтобы убедиться в правильности результата", — вспоминает физик. Поскольку массивные гравитоны формируются ниже энергетической шкалы бозона Хиггса, на которой основана вся Стандартная модель физики частиц, они свободны от неопределенностей, связанных с более высокими энергетическими шкалами, которые не могут быть полностью описаны на основе современных знаний.
"Наши результаты подразумевают, что гравитационная темная материя образуется через 1 пикосекунду после Большого взрыва, в то время, когда физика элементарных частиц хорошо описывается современными теориями", — резюмирует физик. Команда считает, что мощные ускорители частиц, такие как будущий круговой коллайдер ЦЕРН, который должен заработать в 2035 году, могли бы искать доказательства присутствия этих потенциальных частиц темной материи. "Будущие высокоточные коллайдеры частиц, вероятно, являются нашим лучшим выбором", — заключает Каччапалья.