Темна матерія залишається однією з найбільших загадок сучасної фізики. Її існування не піддається сумніву, тому що без темної матерії, наприклад, неможливо пояснити рух галактик. Але експериментально виявити темну матерію так і не вдалося.
Нині циркулює безліч пропозицій щодо проведення нових експериментів. Здебільшого вони спрямовані на виявлення ТМ через її розсіювання від складових атомних ядер, тобто протонів і нейтронів.
Група дослідників - Роберт МакГі та Аарон Пірс із Мічиганського університету та Гіллі Елор із Майнцського університету імені Йоганна Гутенберга в Німеччині - запропонувала нового кандидата в темну матерію: HYPER, або "HighlY Interactive ParticlE Relics".
HYPER-модель припускає, що через деякий час після утворення темної матерії в ранньому Всесвіті сила її взаємодії з нормальною матерією різко зросла. А це означає, що потенційно її можна виявити. Якщо вдасться зробити такий науковий подвиг, тоді пояснення виникне буквально з нічого. Картинка світобудови складеться.
Оскільки пошуки важких частинок темної матерії, або так званих WIMPS, поки що не увінчалися успіхом, академічна спільнота вигадує альтернативні частинки, особливо легкі. Водночас очікуються фазові переходи в темному секторі - адже у видимому секторі їх налічується кілька типів. Нехтувати туманними даними ядерної фізики вже ніхто не буде.
"Досі не було послідовної моделі темної матерії для діапазону мас, до якого сподіваються отримати доступ деякі експерименти. Однак наша HYPER-модель показує, що фазовий перехід може допомогти зробити темну матерію легшою для виявлення", - каже Елор, постдокторант з теоретичної фізики в Університеті імені Йоганна Гуттеберга, Майнц, Німеччина.
Завдання для відповідної моделі: якщо ТМ занадто сильно взаємодіє з нормальною матерією, то її (точно відома) кількість, що утворилася в ранньому Всесвіті, буде занадто малою, що суперечить астрофізичним спостереженням. Однак якщо вона утвориться в потрібній кількості, то взаємодія, навпаки, буде занадто слабкою, щоб виявити в сучасних експериментах.
"Наша центральна ідея, яка лежить в основі HYPER-моделі, полягає в тому, що взаємодія різко змінюється лише один раз, тож ми можемо отримати найкраще з двох світів: потрібну кількість ТМ і велику взаємодію, доступну для виявлення", - каже МакГі.
У підсумку з'являється гіпотеза: у фізиці частинок взаємодію зазвичай опосередковує певна частинка, так званий медіатор; аналогічним чином ТМ взаємодіє з нормальною матерією.
Як утворення темної матерії, так і її виявлення відбувається через якийсь посередник, причому сила взаємодії залежить від його маси: що більша маса, то слабша взаємодія.
Посередник має бути спочатку досить важким, щоб сформувалася потрібна кількість темної матерії, а потім досить легким, щоб "прибрати" її з людських приладів.
Звідси й виникає ідея фазового переходу, під час якого маса медіатора раптово зменшилася.
"Таким чином, з одного боку, кількість темної матерії залишається постійною, а з іншого боку, взаємодія посилюється або зміцнюється таким чином, що ТМ має бути безпосередньо виявленою", - сподівається Пірс.
Нова модель охоплює майже весь діапазон параметрів запланованих експериментів.
"HYPER-модель здатна охопити майже весь діапазон параметрів, які стають доступними для нових експериментів", - пояснює Елор.
Зокрема, дослідницька група спершу розглянула максимальний поперечний переріз опосередкованої медіатором взаємодії з протонами та нейтронами атомного ядра, який узгоджується з астрономічними спостереженнями та даними ядерної фізики. Наступний крок - визначення моделі темної матерії, яка демонструє таку взаємодію.
"І тут ми прийшли до ідеї фазового переходу, - розповідає МакГі. - Ми розрахували кількість темної матерії, яка існує у Всесвіті, а потім змоделювали фазовий перехід за допомогою наших розрахунків".
Необхідно враховувати безліч обмежень, наприклад, постійну кількість темної матерії.
"Тут нам доводиться систематично розглядати і вмикати дуже багато сценаріїв, наприклад, ставити запитання, чи справді є впевненість, що наш медіатор не призведе раптово до утворення нової темної матерії, чого, звісно ж, не повинно бути", - сумнівається Елор.
"Але в підсумку ми переконалися, що наша модель працює".
