Фізики-теоретики звузили діапазон можливих мас частинок темної матерії
Британські фізики показали, що ефекти, пов'язані з квантовою гравітацією, призводять до виникнення сильних обмежень на можливу масу частинок темної матерії, причому як знизу, так і зверху. Отримані таким чином діапазони допустимих мас для різних типів темних частинок виявилися істотно вже, ніж більш ранні теоретичні обмеження, і виключають існування дуже легких і дуже важких частинок темної матерії. У майбутньому такий результат може стати в нагоді під час експериментальних пошуків темної матерії. Стаття опублікована в журналі.
У фізиків є безліч непрямих доказів існування темної матерії - гіпотетичної форми речовини, яка не бере участі в електромагнітній взаємодії. Без припущення про існування такого темного аналога звичайної матерії дуже складно пояснити цілий ряд явищ, які фізики називають ефектами прихованої маси. Причому виявляються ці ефекти на різних просторових і часових масштабах нашого Всесвіту. Наприклад, темна матерія дозволяє одночасно пояснити і аномально високі швидкості обертання периферичних областей галактик, і особливості в даних про реліктове мікрохвильове випромінювання, хоча за цими ефектами стоїть абсолютно різна фізика, а виникали вони на різних етапах еволюції Всесвіту. Тому фізики і впевнені в існуванні темної матерії незважаючи на те, що поки їм не вдалося безпосередньо її зареєструвати.
Темної матерії, однак, немає місця в Стандартній моделі - усталеній теоретичній конструкції у фізиці елементарних частинок, яка досить точно описує накопичений обсяг експериментальних даних в цій області. Тому для опису природи темної матерії вченим потрібні нові теорії, а для перевірки пропонованих гіпотез - експериментальні дані про характеристики темних частинок, найважливішою з яких є їх маса. Раніше запропоновані теоретичні конструкції говорили про те, що маса частинок темної матерії повинна лежати в інтервалі приблизно між 10-22 електронвольт і 1019 гігаелектронвольт. Виходячи з цих обмежень проектуються і експерименти з прямої реєстрації темної матерії. Так, легкі темні аксіони шукають за допомогою спеціальних магнітних детекторів і за спектрами нейтронних зірок, темні бозони з масою порядку мегаелектронвольт намагаються побачити за допомогою точних вимірювань атомних спектрів, а важкі темні ядра пропонують шукати за допомогою масиву маленьких маятників. Нові теоретичні обмеження на масу темних частинок, у свою чергу, дозволили б звузити і масштаби експериментальних пошуків.
Тепер же Ксав'є Кальме (Xavier Calmet) і Фолькерт Кейперс (Folkert Kuipers) з Сассекського університету істотно звузили діапазон можливих мас частинок темної матерії у своєму теоретичному дослідженні. У ньому вчені використовували загальноприйняте припущення про те, що взаємодія темної матерії з самою собою і зі звичайною матерією не шляхом гравітації зневажливо мало. Але отримати більш сильні обмеження на масу темної матерії вдалося саме за рахунок розгляду дії на неї гравітації, причому в її квантовій формі. Передбачувана квантова природа гравітації давала фізикам обмеження на верхню межу мас: занадто важкі частинки за минулий час життя Всесвіту зазнавали б розпаду за рахунок квантових ефектів. У разі занадто легких темних частинок ефекти квантової гравітації призводили б до виникнення так званої п'ятої сили, величина якої обмежена експериментально. Також знизу масу темної матерії обмежила і теорема Паулі, що походить з фундаментальних принципів квантової теорії поля і застосовна для випадку ферміонної темної матерії.
Під час дослідження вчені розглянули випадок скалярних і псевдоскалярних (аксіонів) частинок темної матерії, а також темних ферміонів (зі спином 1/2) і частинок зі спином 2, всі з яких були синглетом щодо калібрувального перетворення. У результаті найсильніше обмежили темні ферміони, масу яких фізики помістили в інтервал від 102 до 1010 електронвольт. Обмеження трохи слабші були отримані для скалярних частинок і темної матерії зі спином 2: для них допустима маса опинилася між 10-3 і 107 електронвольт. Ті ж значення були отримані для темних аксіонів у разі, якщо закони квантової гравітації порушують парність, в зворотному ж випадку маса темних псевдоскалярних частинок повинна бути між 10-21 і 107 електронвольт. Крім того, фізики розглянули випадок векторної частинки зі спином 1: її маса виявилася обмежена 10-22 і 107 електронвольтами.
Вчені відзначають, що такі обмеження вони отримали, розглядаючи квантову гравітацію в найслабшій з її можливих варіацій, тобто чинній на масштабах не більше планківської маси. Це найгірший за силою кінцевих обмежень варіант для розглянутої теорії, і в разі, якщо квантова гравітація сильніша, отримані обмеження на масу темної матерії лише посиляться. З іншого боку, важливо і те, що отримані результати дійсні тільки для калібрувально неінваріантних полів: в іншому випадку калібрувальна інваріантність буде «рятувати» частинки від розпаду і виникнення п'ятої сили, а значить отримані обмеження будуть непримінні.
Фізики можуть передбачити не тільки масу частинок темної матерії, але й інші її характеристики і властивості. Так, раніше темній матерії дозволили мати колір, а її надплинність спростували за допомогою даних про динаміку Чумацького Шляху.