Problema „grea” întunecată ne -ar smulge înțelegerea universului, sugerează noi cercetări

Materia întunecată nu poate fi prea grea sau ar putea sparge cel mai bun model al universului, sugerează o nouă cercetare.

Avem o abundență de dovezi că ceva neplăcut se întâmplă în univers. Stelele orbitează în interiorul galaxiilor mult prea repede. Galaxiile se deplasează în interiorul clusterelor mult prea repede. Structurile cresc și evoluează prea rapid. Dacă numărăm doar materia pe care o putem vedea, pur și simplu nu este suficient gravitaţie pentru a explica toate aceste comportamente.

Marea majoritate a cosmologilor cred că toate aceste fenomene pot fi explicate prin prezența materie întunecatăo formă ipotetică a materiei care este masivă, neutră din punct de vedere electric și nu interacționează cu greu, dacă nu chiar niciodată, cu materia normală. Această materie întunecată reprezintă cea mai mare parte a masei universului, depășind cu mult cantitatea de materie luminoasă.

Identitatea materiei întunecate rămâne un mister, deoarece experimentele menite să detecteze o coliziune rătăcită, rară, nu au reușit să descopere nimic. Dar aceste experimente s-au concentrat pe vizarea unui interval de masă specific: aproximativ 10 până la 1.000 de giga-electron volți (GeV). (Un GeV este echivalent cu 1 miliard de electroni volți.) Acesta este în intervalul celor mai grele particule cunoscute, cum ar fi bosonul W și quarcul de top. Timp de zeci de ani, teoreticienii au favorizat acest interval de masă, deoarece mai multe extensii simple ale Model standard de fizica particulelor a prezis existența unor astfel de particule.

Pentru că încă nu am găsit nimic, am început să ne întrebăm dacă materia întunecată ar putea fi mai ușoară sau mai grea decât am crezut. Dar materia întunecată mai grea se confruntă cu unele probleme serioase, potrivit unui nou hârtie publicat în baza de date preprint arXiv.

Problema este că materia întunecată interacționează uneori cu materia normalăchiar dacă rar. Dar în universul timpuriu, când cosmosul era mult mai fierbinte și mai dens, aceste interacțiuni erau mult mai frecvente. În cele din urmă, pe măsură ce universul s-a extins și s-a răcit, aceste interacțiuni au încetinit și apoi s-au oprit, ceea ce a dus materia întunecată să „înghețe” și să rămână tăcută în fundal.

Înrudit: Ceva invizibil și „neclar” ar putea pândi în centrul Căii Lactee, sugerează o nouă cercetare

Deși există multe, multe modele de potențiali candidați ai materiei întunecate, multe interacționează cu particulele obișnuite prin schimburi care implică bosonul Higgs — o particulă fundamentală care interacționează cu aproape toate celelalte particule și, prin aceste interacțiuni, îmbunătățește acele particule cu masă.

Cunoaștem masa bosonului Higgs: în jur de 125 GeV. Cercetătorii au descoperit că această masă pune o limită superioară fundamentală a masei posibile a majorității candidaților de materie întunecată.

Problema este că toate interacțiunile din fizică sunt străzi cu două sensuri. Higgs vorbește atât cu materia întunecată, cât și cu materia obișnuită și, în multe modele, mediază interacțiunile dintre ele. Dar ambele tipuri de materie le răspund și lui Higgs. Aceste interacțiuni apar ca ușoare modificări ale masei bosonului Higgs.

Pentru particulele modelului standard, putem calcula aceste corecții și interacțiuni de feedback, așa cum teoreticienii au prezis masa bosonului Higgs cu mult înainte de a fi detectat.

Cercetătorii au descoperit că, dacă particula de materie întunecată ar avea o masă mai mare de câteva mii de GeV, contribuția sa la masa Higgs ar fi incredibil de importantă, alungând-o de valoarea sa observată. Și pentru că Higgs este atât de esențial pentru determinarea multor alte fizici fundamentale, ar închide complet interacțiunile particulelor.

Există totuși posibilități de a ocoli această restricție. Este posibil ca materia întunecată să nu interacționeze deloc cu particulele obișnuite sau interacțiunea s-ar putea întâmpla printr-un mecanism exotic care nu implică Higgs. Dar acele modele sunt puține și necesită o mulțime de reglaje fine și pași suplimentari.

Sau s-ar putea ca materia întunecată să fie mai ușoară decât am crezut. Dacă nu credem că materia întunecată grea este un candidat viabil, atunci pe măsură ce continuăm să învățăm despre această componentă misterioasă a universului, ne putem concentra eforturile în cealaltă direcție. A existat deja o creștere a interesului față de axioni, particule ultra ușoare care sunt prezise în unele modele de fizică a particulelor și ar putea fi un candidat viabil al materiei întunecate.

Din punct de vedere experimental, dacă acest rezultat este confirmat și se consideră a fi o restricție pe scară largă asupra masei particulelor de materie întunecată, ne putem rafina și reproiecta experimentele pentru a căuta particule de masă mică, în loc de particule de masă mare.

Postat inițial pe Space.com.

Paul M. Sutter este profesor de cercetare în astrofizică la Universitatea SUNY Stony Brook și la Institutul Flatiron din New York City. El apare în mod regulat la TV și podcasturi, inclusiv „Întrebați un Spaceman”. Este autorul a două cărți, „Locul tău în univers” și „Cum să mori în spațiu” și este un colaborator regulat la Space.com, Live Science și multe altele. Paul și-a luat doctoratul în fizică de la Universitatea din Illinois din Urbana-Champaign în 2011 și a petrecut trei ani la Institutul de Astrofizică din Paris, urmat de o bursă de cercetare la Trieste, Italia.