Физики определили диапазон масс темной материи

Мы можем не знать, что такое темная материя, но теперь ученые лучше понимают, что искать.

На основе квантовой гравитации физики разработали новые, гораздо более строгие верхние и нижние пределы массы частиц темной материи. И они обнаружили, что диапазон масс намного меньше, чем считалось ранее.

Это означает, что кандидаты в темную материю, которые являются либо чрезвычайно легкими, либо тяжелыми, вряд ли будут темной материей, исходя из нашего нынешнего понимания Вселенной.

«Это первый случай, когда кто-то подумал использовать то, что мы знаем о квантовой гравитации, как способ вычисления диапазона масс темной материи. Мы были удивлены, когда поняли, что никто не делал этого раньше — как и коллеги-ученые, проводившие обзор наша статьи », — сказал физик и астроном Ксавье Калмет из Университета Сассекса в Великобритании.

«То, что мы сделали, показывает, что темная материя не может быть ни «сверхлегкой», ни «сверхтяжелой», — если на нее еще не действует неизвестная дополнительная сила. Это исследование помогает физикам двумя способами: фокусирует область поиска темной материи и потенциально поможет выявить, существует ли во Вселенной таинственная неизвестная дополнительная сила».

Темная материя, несомненно, является одной из самых больших загадок Вселенной, какой мы ее знаем. Это название мы даем загадочной массе, ответственной за гравитационные эффекты, которые нельзя объяснить тем, что мы можем обнаружить другими способами — обычной материей, такой как звезды, пыль и галактики.

Например, галактики вращаются намного быстрее, если бы они просто находились под гравитационным влиянием обычной материи на них; гравитационное линзирование — искривление пространства-времени вокруг массивных объектов — намного сильнее, чем должно быть. То, что создает эту дополнительную гравитацию, невозможно обнаружить визуально.

Мы знаем это только по гравитационному эффекту, который темная материя оказывает на другие объекты. Основываясь на этом эффекте, мы знаем, что его много. Примерно 80 процентов всего вещества во Вселенной — это темная материя.

Однако мы знаем, что темная материя взаимодействует с гравитацией, поэтому Калмет и его коллега, физик и астроном Фолкерт Кейперс из Университета Сассекса обратились к качествам квантовой гравитации, чтобы попытаться оценить диапазон масс гипотетической частицы темной материи.

Они объясняют, что квантовая гравитация накладывает ряд ограничений на возможность существования частиц темной материи различной массы. Хотя у нас нет достойной рабочей теории, которая объединяла бы пространственно-искажающее описание гравитации в общей теории относительности с дискретной фрагментарностью квантовой физики, мы знаем, что любое их смешение отражало бы определенные основы обоих. Таким образом, частицы темной материи должны будут подчиняться правилам квантовой гравитации, как частицы разрушаются или взаимодействуют.

Тщательно учитывая все эти границы, они смогли исключить диапазоны масс, которые вряд ли существовали бы при нашем нынешнем понимании физики.

Основываясь на предположении, что только гравитация может взаимодействовать с темной материей, они определили, что масса частицы должна находиться в диапазоне от 10^-3 электронвольт до 10⁷ электронвольт, в зависимости от спинов частиц и природы взаимодействия темной материи.

По словам исследователей, это безумно меньше, чем традиционно приписываемый диапазон от 10^-24 электронвольт до 10¹⁹ гигаэлектронвольт. И это важно, потому что это в значительной степени исключает некоторых кандидатов, таких как WIMP (слабовзаимодействующие массивные частицы).

Если такие кандидаты позже окажутся темной материей, согласно Кальмету и Койперсу, это будет означать, что на них влияет какая-то сила, о которой мы еще не знаем.

Это было бы действительно круто, потому что указывало бы на новую физику — новый инструмент для анализа и понимания нашей Вселенной.

Прежде всего, ограничения команды предоставляют новую основу для рассмотрения при поиске темной материи, помогая сузить круг вопросов, где и как искать.

Исследование опубликовано в Physics Letters B.

Источники: Фото: Галактика Сомбреро, идеальный объект для расчета скорости вращения галактики. (NASA/Hubble Heritage Team/STScI/AURA)