Физики предполагают, что обнаружили частицу темной материи

Что-то во Вселенной создает больше массы, чем мы можем обнаружить напрямую. Мы знаем, что она есть там из-за гравитационного воздействия на материю, которое мы можем обнаружить; но мы не знаем, что это такое и откуда взялось.

Мы называем эту невидимую массу «темной материей», и физики только что определили частицу, которая может быть ей.

Кандидатом является недавно обнаруженная субатомная частица, называемая гексакварком d*. И в изначальной тьме, последовавшей за Большим взрывом, они могли бы собраться вместе, чтобы создать темную материю.

В течение почти столетия темная материя озадачивала астрономов. Впервые ее влияние было замечено в движениях звезд, которое намекало на то, что вокруг них было больше массы, чем мы могли видеть.

Теперь мы можем видеть влияние темной материи и в другой динамике — например, при гравитационном линзировании, когда свет огибает массивные объекты, такие как скопления галактик. И вращение галактических дисков, которое слишком быстро, чтобы объяснить его видимой массой.

До сих пор оказалось, что темную материю невозможно обнаружить напрямую, поскольку она не поглощает, не излучает и не отражает электромагнитные излучения любого типа. Но ее гравитационный эффект сильный — настолько сильный, что до 85 процентов вещества в нашей Вселенной может быть темной материей.

Тем не менее, ученые очень хотели бы постичь тайну темной материи. Это не только потому, что они очень любопытные — выяснение, что такое темная материя, может многое рассказать нам о том, как сформировалась наша Вселенная и как она работает.

Если темная материя на самом деле не существует, это означало бы, что со стандартной моделью физики элементарных частиц, которую мы используем для описания и понимания Вселенной, что-то не так.

За прошедшие годы было выдвинуто несколько кандидатов в темную материю, но мы, похоже, приблизились к поиску ответа. Гексакварк d* — более формально, d*(2380) – выходит на сцену.

«Происхождение темной материи во Вселенной — это один из самых больших вопросов в науке, на который до сих пор нет ответа», — объяснил физик-ядерщик Даниэль Уоттс из Йоркского университета в Великобритании.

«Наши первые расчеты показывают, что конденсаты d* являются новым возможным кандидатом в темную материю. Этот новый результат особенно интересен, поскольку он не требует новых для физики понятий».

Кварки — это фундаментальные частицы, которые обычно объединяются в группы по три, образуя протоны и нейтроны. В совокупности эти трехкварковые частицы называются барионами, и большая часть наблюдаемой материи во Вселенной состоит из них. Ты барионный. Как и Солнце. И планеты, и космическая пыль.

Когда шесть кварков объединяются, это создает тип частицы, называемый дибарион, или гексакварк. На самом деле мы не наблюдали многих из них вообще. Гексакварк d*, описанный в 2014 году, был первым нетривиальным обнаружением.

Гексакварки d* интересны тем, что являются бозонами, типом частиц, подчиняющимся статистике Бозе-Эйнштейна, основой для описания поведения частиц. В этом случае это означает, что совокупность гексакварков d* может образовать нечто, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна.

Также известный как пятое состояние вещества, эти конденсаты образуются, когда газ бозонов низкой плотности охлаждается до чуть выше абсолютного нуля. На этой стадии атомы в газе переходят от их регулярного покачивания к совершенно неподвижному — минимально возможному квантовому состоянию.

Если в ранней Вселенной такой газ из гексакварков d* был везде, когда он остыл после Большого взрыва, то, согласно моделированию команды, он мог бы объединиться, образуя конденсаты Бозе-Эйнштейна. И эти конденсаты могут быть тем, что мы сейчас называем темной материей.

Очевидно, что все это в высшей степени теория, но чем больше кандидатов темной материи мы находим — и подтверждаем или исключаем — тем ближе мы к определению, что такое темная материя.

Итак, здесь предстоит еще много работы. Команда планирует найти в космосе гексакварки d* и изучить их. Они также планируют провести в лаборатории больше работы над гексакварками.

«Следующим шагом для создания этого нового кандидата на темную материю станет более глубокое понимание того, как взаимодействуют гексакварки — когда они притягиваются и когда отталкиваются друг от друга», — сказал физик Йоркского университета Михаил Башканов.

«Мы проводим новые измерения, чтобы создать гексакварки внутри атомного ядра и посмотреть, отличаются ли их свойства от того, когда они находятся в свободном пространстве».

Исследование было опубликовано в журнале Physics G: Ядерная физика и физика частиц.