Российские физики предложили новую природу темной материи

Международная группа ученых с участием специалистов из НИЯУ МИФИ и Южного федерального университета разработала новую модель для объяснения темной материи.

На протяжении многих десятилетий ученые пытаются разгадать одну из самых загадочных тайн Вселенной.

Наблюдения показывают, что галактики вращаются с такой скоростью, которую невозможно объяснить наличием лишь видимого вещества – звезд, межзвездного газа и космической пыли.

Согласно известным законам гравитации, при такой динамике галактические структуры должны были бы распасться. Следовательно, во Вселенной присутствует невидимая субстанция, создающая дополнительное гравитационное воздействие.

Именно ее принято называть темной материей.

Несмотря на десятки экспериментов, физики до сих пор не «поймали» ни одной частицы темной материи, а стандартная гипотеза о том, что она сложена массивными слабовзаимодействующими частицами (WIMPs — Weakly Interacting Massive Particles), переживает кризис.

Суть концепции, предлагаемой авторы заключается в том, что темная материя состоит не из одиночных частиц, а образует сложные структуры, подобные привычным нам атомам водорода или гелия, только из «темных атомов» - сообщается на сайте Минобрнауки.

В темном секторе есть свои «электроны» и «протоны». Они взаимодействуют друг с другом через «темный фотон». В ранней Вселенной, когда она остывала, эти частицы начали объединяться.

«В чем принципиальное отличие концепции «темной химии» с аналогами электронов, протонов и фотонов от прежней охоты за одной-единственной частицей темной материи?
Следует отметить, что неизбежные расширения Стандартной модели фундаментальных взаимодействий, необходимые для решения ее проблем предсказывают очень широкий круг возможных кандидатов на роль частиц скрытой массы.
Прежнюю охоту за одним-единственным типом частиц скрытой массы — массивными слабовзаимодействующими частицами стимулировали расчеты их современной плотности, соответствующей наблюдаемой плотности скрытой массы, ожидание открытия суперсимметричных партнеров таких частиц на БАК и возможностью регистрации ядер отдачи от редких событий столкновения этих частиц в подземных детекторах.
Отсутствие положительных результатов, как поиска суперсимметричных частиц в БАК, так и эффектов ядер отдачи в подземных экспериментах заставляет обратиться к анализу других возможных форм скрытой массы», — рассказал руководитель исследования, главный научный сотрудник Института физики ЮФУ, профессор МИФИ Максим Хлопов.

Модель предсказывает существование сверхтяжелой частицы с огромным отрицательным зарядом, которая захватывает ядра гелия, образуя нейтральный «темный атом».

Ученые подсчитали, что к настоящему времени почти вся темная материя превратилась в смесь нейтральных атомов и небольшой ионизированной фракции.

Эта теория также объясняет «позитронную аномалию», которую более десяти лет фиксирует детектор AMS на МКС.

Концепция «темных атомов» предлагает элегантное объяснение. Оставшаяся ионизированная часть темной плазмы может быть сосредоточена в диске Галактики (как и обычное вещество). Именно она, распадаясь, рождает позитроны. А нейтральные «темные атомы» образуют огромное гало, которое не светит в гамма-диапазоне. Так модель объясняет оба явления одновременно.

Отдельное исследование посвящено попытке обнаружить так называемые «темные атомы» непосредственно на Земле.

В центре внимания находится давняя загадка эксперимента DAMA/LIBRA в Италии.

На протяжении многих лет этот детектор регистрирует периодические изменения числа необъяснимых событий в кристаллах йодида натрия.

Специалисты МИФИ предполагают, что причиной такого эффекта могут быть частицы темной материи особого типа — «темные атомы» гелия, проходящие через толщу нашей планеты.

В рамках предложенной модели такой объект представляет собой не элементарную частицу, а массивную связанную систему с массой до 11 ТэВ, что значительно превышает массу ядра свинца.

Проникая сквозь земные породы, «темный атом» постепенно теряет энергию, замедляется до тепловых скоростей и начинает медленно смещаться в направлении центра Земли.

При попадании в детектор он способен вступать во взаимодействие с ядрами натрия, формируя необычное связанное состояние. Этот процесс сопровождается испусканием фотона с энергией от 1 до 6 кэВ — именно в таком диапазоне и наблюдаются аномальные сигналы.

Исходя из предложенной модели, сигнал должен колебаться с частотой один год — Земля то движется навстречу потоку темной материи, то убегает от него.

Это идеально совпадает с закономерностью, которую в течение 20 лет фиксирует DAMA.

И второе — сигнал должен быть максимальным для легких ядер, таких как натрий, и подавленным для тяжелых (ксенон).

И это, по мнению ученых, объясняет, почему аномалию видят одни установки, работающие на йодиде натрия, но не видят другие, работающие на жидком ксеноне.

Российские ученые — авторы концепции 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 модель будет соответствовать всем накопленным данным.

Исследования поддержаны грантами РНФ и Минобрнауки России.