Физики ограничили темную материю

Ученые из России, Финляндии и США при анализе наблюдений за активными ядрами галактик смогли поставить ограничения на теоретическую модель частиц, составляющих темную материю. Это подталкивает научные группы по всему миру к дальнейшему изучению загадки — из чего же состоит темная материя.

5 031

Выбор редакции

Работа опубликована в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

 

Вопрос о том, какие частицы составляют темную материю, в физике элементарных частиц сегодня один из ключевых. Были предположения, что составляющие ее частицы будут обнаружены на Большом адронном коллайдере (БАК).

 

Однако этого не произошло — целый ряд ставших классическими гипотез о природе темной материи не подтвердился. Самые разные наблюдения показывают, что темная материя существует, но получается, она не может состоять из частиц Стандартной модели.

 

Поэтому физики вынуждены рассматривать более сложные и многообразные варианты. Речь идет о расширении Стандартной модели элементарных частиц. Например, обсуждаются гипотетические частицы с массами от 10-26 до 10+14 масс электрона, то есть на 40 порядков отличающимися друг от друга.

 

Существует теоретическая модель, которая объясняет состав темной материи с помощью сверхлегких частиц. Она успешно решает часть задач, которые вытекают из астрономических наблюдений.

 

Но такие легкие частицы сложно изучать, потому что они очень слабо взаимодействуют с окружающим веществом и светом. В лабораторных условиях обнаружить их практически невозможно, поэтому ученые ориентируются на астрономические наблюдения.

 

«Мы говорим о частицах темной материи, которые на 28 порядков легче электрона. Для модели, которую мы решили проверить, это принципиально важно. Темную материю мы видим по гравитационным проявлениям.

 

И если набрать наблюдаемую массу темной материи сверхлегкими частицами, их получится очень много. Но когда речь идет о столь легких частицах, сразу возникает вопрос, как защитить их от получения эффективной массы из-за квантовых поправок?

 

Расчеты показывают, что ответ может быть связан со слабым взаимодействием этих частиц с фотонами, электромагнитным излучением. Из чего открывается возможность изучать их гораздо проще, потому что астрономия позволяет наблюдать электромагнитное излучение», — рассказывает Сергей Троицкий, один из авторов работы, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН.

 

Когда частиц много, можно говорить о них не как о частицах, а как о поле, которое заполняет всю Вселенную с определенной плотностью. В доменах размером порядка 100 парсек поле когерентно осциллирует.

 

Период осцилляции определяется массой частиц, если исходить из рассмотренной авторами модели, он должен составлять порядка одного земного года. При прохождении поляризованного излучения сквозь такое поле плоскость поляризации световой волны начнет вращаться с тем же периодом.

 

Подобные изменения свойств излучения можно отследить благодаря астрономическим наблюдениям. И периодичность порядка года очень удобна, потому что за многими объектами наблюдение ведется на протяжении нескольких лет, значит, изменения в поляризации их излучения можно будет легко обнаружить.

 

Физики ограничили темную материю

«Центавр А» является одним из активных галактических ядер, ближайших к Земле / ©ESO, WFI (оптический); MPIfR, ESO, APEX, A.Weiss et al. (субмиллиметровый); NASA, CXC, CfA , R.Kraft et al. (рентгеновский)

 

Авторы работы решили использовались данные наземных радиотелескопов, так как они возвращаются к одним и тем же астрономическим объектам много раз на протяжении цикла наблюдений. Такие телескопы видят далекие ядра активных галактик — сгустки плазмы.

 

Из последних выходит излучение с очень высокой степенью поляризации. Наблюдая один и тот же сгусток, можно увидеть, как изменяется угол поляризации от года к году.

 

«Сначала нам показалось, что сигнал отдельных астрономических объектов вырисовывает синусоиду. Но проблема заключается в том, что период этого синуса должен определяться массой частиц темной материи, а значит, должен быть одинаковым у всех объектов.

 

Наша выборка была из 30 наблюдаемых объектов. И даже если попадались периодические изменения, которые связаны с внутренней физикой этих излучающих областей, от одного объекта к другому периоды никогда не повторялись, — продолжает Сергей Троицкий.

 

— Это значит, что взаимодействие с излучением наших сверхлегких частиц темной материи можно смело ограничить. Мы не исключаем существование таких частиц, но мы показали отсутствие их взаимодействия с фотонами, тем самым получив ограничение на существующие модели, описывающие состав темной материи».

 

«Представляете, как здорово?! В течение многих лет изучаешь себе квазары, а тут приходят коллеги-теоретики и оказывается, что результаты наших высокоточных поляризационных измерений можно использовать для понимания природы темной материи!» — восторженно добавляет Юрий Ковалев, соавтор работы, руководитель научных лабораторий в ФИАН и МФТИ.

 

В дальнейшем авторы планируют искать проявления возможных частиц темной материи больших масс, которые рассматриваются в других теоретических моделях. Для этого нужны иные методы наблюдений и спектральные диапазоны. По словам Сергея Троицкого, альтернативные модели имеют более жесткие ограничения.

 

«Сейчас весь мир работает над поиском частиц темной материи. Это одна из основных загадок в физике частиц. На сегодня нет такой модели, которая была бы основной, лучше проработанной или более вероятной с точки зрения совокупности экспериментальных результатов.

 

Надо проверять все. К сожалению, темная материя — „темная“ в том смысле, что практически ни с чем не взаимодействует. В частности, со светом. Как видно, в некоторых сценариях она может немного менять световую волну, которая проходит сквозь нее.

 

Но есть и такой сценарий, в котором ее частицы вообще никак не взаимодействуют с нашим миром. Только гравитационно. Но тогда ее частицы будет очень сложно найти», — заключает Сергей Троицкий.

 

Работа поддержана грантом Российского научного фонда.

Naked Science Facebook VK Twitter
Физтех
126Статей
Московский физико-технический институт (МФТИ). Блог о последних научных открытиях ученых МФТИ и других российских вузов и исследовательских центров в различных областях науки, от астрофизики до генной инженерии.
5 031
Комментарии
Аватар пользователя Alex Alex
6 ч
В России продолжаются работы по совершенствованию...
Аватар пользователя Nikolaj Skomorochov
Вчера
Билл Мюррей на обложке :) Хе-хей!
Аватар пользователя Владимир Ферез
19 апр
Какого же низкого мнения вы об ученых!

Колумнисты

Физтех
126Статей
Сколтех
50Статей
Discovery Channel
36Статей
ТюмГУ
13Статей
СФУ
11Статей
Комментарии
Это очень интересно, спасибо от всей души за материал.
".. Но проблема заключается в том, что период этого синуса должен определяться массой частиц темной материи, а значит, должен быть одинаковым у всех объектов.."
На мой взгляд, во-первых, области тёмной материи могут быть насыщенными и ненасыщенными. В одних областях пространства Тёмная Материя более плотная, в других может быть разреженной. И тогда, влияние ТМ на частицы света тоже должно быть разным. Синусоиды будут отличаться.
Во-вторых, так называемая Светлая Материя - или световое излучение звёзд - тоже может состоять из световых частиц разной интенсивности. Иными словами, фотоны могут быть очень энергичными и не очень энергичными. Их энергичность будет зависеть от характеристик звезды, которая рассматривается как объект излучения. Звёзды - они разные: большие, маленькие, красные, жёлтые, белые, нейтронные и тд. Можно даже сказать, что каждая звезда имеет свои, неповторимые параметры излучаемых частиц. Тогда эти излучаемые частицы света, со своей стороны, будут оказывать различное влияние на Тёмную Материю, сквозь которую они проходят и с частицами которой взаимодействуют.
Разве не может ТМ быть "холодной плазмой" ? - четвёртое состояние материи из атомных и субатомных частиц, принимающей температуру окружающего пространства. Проявление на Земле ХП - шаровая молния. Встречался с нею в детстве вплотную - она тёплая - прошла в 2 см от лица и взорвалась между голых стоп.
На улице в водяном пару светилась ярко, размер было не различить. Влетев через стекло в дом, стала тёмно оранжевой, т.е. потускнела. Размером с апельсин.

В состоянии вакуума космоса ХП и вовсе может быть тёмной. Чтобы стать из ТМ материей, ей не хватает энергии. Гамма-лучи Большого взрыва от аннигиляции материи и антиматерии насыщают ТМ на их пути энергией и превращают в водород и гелий. Гамма-лучи распространяются строго в 2-х противоположных направлениях. Нанизали на себе небольшие образования ТМ, превратив их в звёздное вещество. Большие образования ТМ могли эти лучи отклонить.

Это моё чисто интуитивное предположение.

Быстрый вход

Или авторизуйтесь с помощью:

на сайте, чтобы оставить комментарий.
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку