Kosmoloģijas standarta modelis mums saka, ka tikai 4,9% Visuma veido parastā viela (no tā, ko mēs varam redzēt), bet pārējā daļa ir 26,8% tumšā viela un 68,3% tumšā. enerģija. Kā norāda šo jēdzienu nosaukums, mēs tos nevaram redzēt, tāpēc to pastāvēšanai vajadzētu sekot no teorētiskiem modeļiem, Visuma plaša mēroga struktūras novērojumiem un acīmredzamiem gravitācijas efektiem, kas izpaužas redzamajā matērijā.
Kopš tā brīža, kad par to pirmo reizi runāja, noteikti netrūkst spekulāciju par to, kā izskatās tumšās vielas daļiņas. Ne tik sen daudzi zinātnieki sāka domāt, ka tumšā viela sastāv no vāji mijiedarbojošām masīvām daļiņām (WIMP, WIMP), kas ir aptuveni 100 reizes lielākas par protona masu, bet mijiedarbojas kā neitrīno. Neskatoties uz to, visi mēģinājumi atrast WIMP, izmantojot daļiņu paātrinātāja eksperimentus, neko nav noveduši. Tāpēc zinātnieki sāka kārtot iespējamās alternatīvas tumšās vielas sastāvam.
Mūsdienu kosmoloģiskie modeļi mēdz pieņemt, ka tumšās vielas masa atrodas 100 GeV (gigaelektronvoltā) robežās, kas atbilst daudzu citu daļiņu, kas mijiedarbojas ar vāju kodolspēku, masas robežām. Šādas daļiņas esamība atbilstu daļiņu fizikas standarta modeļa supersimetriskam pagarinājumam. Turklāt tiek uzskatīts, ka šādām daļiņām vajadzēja piedzimt karstā, blīvā, agrīnā Visumā ar vielas masas blīvumu, kas līdz šai dienai ir palicis nemainīgs.
Tomēr notiekošie eksperimenti, lai identificētu WIMP, nav atraduši konkrētus pierādījumus par šādu daļiņu esamību. Tie ietvēra WIMP iznīcināšanas produktu (gamma, neitrīnus un kosmiskos starus) meklēšanu tuvējās galaktikās un kopās, kā arī tiešus daļiņu noteikšanas eksperimentus, izmantojot tādus superciderus kā LHC.
Veicot supersimetriju, vimpi iznīcina savā starpā, radot daļiņu un starojuma kaskādi, ieskaitot vidējas enerģijas gamma starus
Neko neatrodot, daudzi zinātnieki nolēma attālināties no WIMP paradigmas un meklēt tumšo vielu citur. Viena no šādām kosmologu grupām CERN un CP3-Origins Dānijā nesen publicēja pētījumu, kas parādīja, ka tumšā viela var būt daudz smagāka un vājāka mijiedarbībai, nekā tika domāts iepriekš.
Viens no CP-3 Origins pētnieku grupas locekļiem, Dr. Makkalens Sandora, pastāstīja par savas komandas centieniem:
Reklāmas video:
Mēs vēl nevaram izslēgt WIMP scenāriju, taču katru gadu mums ir aizdomas par arvien vairāk, nekā mēs neko neesam redzējuši. Turklāt parastā vāja fizikas skala cieš no hierarhijas problēmas. Nav skaidrs, kāpēc visas mums zināmās daļiņas ir tik vieglas, it īpaši, ja paskatās uz dabisko smaguma skalu, Plankas skalu, kas ir aptuveni 1019 GeV. Tātad, ja tumšā viela būtu tuvāk Plankas skalai, hierarhijas problēma to neietekmētu, un tas arī izskaidrotu, kāpēc mēs neesam redzējuši parakstus, kas saistīti ar WIMP.”
Izmantojot jaunu modeli, ko viņi dēvē par Plankas mijiedarbojošos tumšo vielu (PIDM), zinātnieki pēta tumšās vielas masas augšējo robežu. Kamēr WIMP tumšās vielas masu novieto elektrības vājuma skalas augšējā galā, Dānijas pētnieku grupa Martiass Garnijs, Makkalens Sandora un Martins Slots ierosināja daļiņu ar masu, kas ir pilnīgi citā dabiskā mērogā - Plankas skalā.
Plankas skalā viena masas vienība ir ekvivalenta 2,17645 x 10-8 kilogramiem - apmēram mikrograms jeb 1019 reizes lielāks par protona masu. Šajā masā katrs PIDM būtībā ir tik smags, cik daļiņa var būt, pirms tā kļūst par miniatūru melno caurumu. Grupa arī ieteica, ka šīs PIDM daļiņas mijiedarbojas ar parasto matēriju tikai gravitācijas ceļā un ka daudzas no tām ir izveidojušās ļoti agrīnā Visumā spēcīgas karstuma laikmetā - periodā, kas sākās inflācijas laikmeta beigās, kaut kur no 10 līdz 36 līdz 10 33 vai 10-32 sekundes pēc Lielā sprādziena.
Šis laikmets tiek saukts, jo inflācijas laikā tiek uzskatīts, ka kosmosa temperatūra ir pazeminājusies 100 000 reizes. Kad inflācija beidzās, temperatūra atgriezās iepriekšējā inflācijas līmenī (apmēram 1027 Kelvini). Šajā laikā lielākā daļa no inflācijas lauka potenciālās enerģijas ir sadalījušās Standarta modeļa daļiņās, kas piepildīja Visumu, un starp tām - tumšajā matērijā.
Protams, jaunā teorija nāk ar savu daļu seku attiecībā uz kosmologiem. Piemēram, lai šis modelis darbotos, apkures laikmeta temperatūrai jābūt augstākai, nekā pašlaik tiek uzskatīts. Turklāt karstāks apkures periods radītu arī vairāk primāro gravitācijas viļņu, kas atspoguļotos kosmiskā mikroviļņu fonā (CMB).
"Šī augstā temperatūra mums stāsta divas interesantas lietas par inflāciju," saka Sandora. - Ja tumšā viela ir PIDM: pirmkārt, inflācija norisinājās ar ļoti lielu enerģiju, kas gravitācijas viļņu veidā radītu ne tikai agrīnā Visuma temperatūras svārstības, bet arī pašu telpas laiku. Otrkārt, tas mums saka, ka inflācijas enerģijai vajadzēja ārkārtīgi ātri sadalīties matērijā, jo, ja tas prasītu ilgu laiku, Visums varētu atdzist līdz līmenim, pēc kura tas vairs nespētu radīt PIDM.
Šo gravitācijas viļņu esamību var apstiprināt vai izslēgt turpmākajos kosmiskā mikroviļņu fona pētījumos. Šīs ir ārkārtīgi aizraujošas ziņas, jo sagaidāms, ka nesenais gravitācijas viļņu atklājums novedīs pie jauniem centieniem atklāt pirmatnējos viļņus, kas sakņojas pašā Visuma radīšanā.
Kā paskaidroja Sandora, tas viss ir skaidrs zinātniekiem izdevīgs scenārijs, jo tuvākajā nākotnē jaunākais tumšās matērijas kandidāts tiks atklāts vai atspēkots.
“Mūsu scenārijs sniedz dzelžainu prognozi: nākamās paaudzes eksperimentos ar kosmisko mikroviļņu fonu mēs redzēsim gravitācijas viļņus. Tas ir, tas ir abpusēji izdevīgs: ja mēs tos redzam, tas ir labi, un, ja mēs tos neredzam, tad mēs zināsim, ka tumšā viela nav PIDM, kas nozīmē, ka mums ir jāgaida zināma tā mijiedarbība ar parasto matēriju. Ja tas viss notiks nākamajos desmit gados, mēs varam tikai gaidīt nepacietīgi."
Kopš Džeikoba Kapteina 1922. gadā pirmo reizi ieteica tumšās matērijas eksistenci, zinātnieki ir meklējuši tiešus pierādījumus par tā esamību. Viens pēc otra tika piedāvāti kandidāti starp daļiņām - no gravitino līdz axions -, izsijāti un nonākuši mūžīgo meklējumu valstībā. Nu, ja šis pēdējais kandidāts tiek nepārprotami noraidīts vai apstiprināts, šī iespēja jau nav slikta.
Galu galā, ja tas tiks apstiprināts, mēs atrisināsim vienu no visu laiku lielākajiem kosmoloģiskajiem noslēpumiem. Sāksim soli tuvāk Visuma izpratnei un tam, kā tā noslēpumainie spēki mijiedarbojas viens ar otru.
