В МИФИ предложили модель «темных атомов» для объяснения темной материи
Российские и зарубежные физики предложили рассматривать темную материю не как набор одиночных частиц, а как «темную химию» с аналогами атомов. Такая модель может объяснить сразу несколько космических и лабораторных аномалий.
Источник: Новости науки.
МОСКВА, 16 июня. /Новости науки/. Ученые из НИЯУ МИФИ, Южного федерального университета, Италии и Франции предложили модель, в которой темная материя состоит из сложных структур — «темных атомов», сообщает пресс-служба МИФИ.
Работой руководит главный научный сотрудник Института физики ЮФУ, профессор МИФИ Максим Хлопов. По замыслу ученых, невидимая часть Вселенной может иметь собственную «химию»: свои аналоги электронов, протонов и фотонов. Такие частицы могли объединяться в ранней Вселенной, когда она остывала после Большого взрыва.
Темная материя нужна физикам для объяснения движения галактик. Их звезды и газ вращаются так быстро, что одной видимой материи не хватило бы для удержания галактик. Значит, в них есть невидимая масса. Однако десятки экспериментов пока не нашли частиц темной материи. Особенно сложной стала ситуация для популярной гипотезы WIMP — тяжелых слабо взаимодействующих частиц.
«Следует отметить, что неизбежные расширения Стандартной модели фундаментальных взаимодействий, необходимые для решения ее проблем, предсказывают очень широкий круг возможных кандидатов на роль частиц скрытой массы. Прежнюю охоту за одним-единственным типом частиц скрытой массы — массивными слабовзаимодействующими частицами — стимулировали расчеты их современной плотности, ожидание открытия суперсимметричных партнеров таких частиц на БАК и возможность регистрации ядер отдачи от редких событий столкновения этих частиц в подземных детекторах. Отсутствие положительных результатов как поиска суперсимметричных частиц в БАК, так и эффектов ядер отдачи в подземных экспериментах заставляет обратиться к анализу других возможных форм скрытой массы», — отметил Хлопов.
Одна из моделей предполагает существование сверхтяжелой частицы X с большим отрицательным зарядом. Такая частица может захватывать легкие ядра обычного вещества, например ядра гелия. В результате возникает электрически нейтральный «темный атом», который ведет себя как холодная невидимая материя.
В другой работе ученые рассмотрели трехчастичную рекомбинацию. Это процесс, при котором две противоположно заряженные частицы образуют атом, а третья частица забирает лишнюю энергию. Похожий механизм действует в обычной плазме. Авторы показали, что в темном секторе такой процесс может идти эффективнее, чем считалось раньше.
Расчеты показали, что при достаточно большом «темном заряде» почти вся темная материя к сегодняшнему дню могла перейти в нейтральные «темные атомы». При этом небольшая часть могла остаться ионизированной, то есть заряженной. Такая двухкомпонентная структура помогает объяснить еще одну загадку — избыток позитронов в космических лучах.
Более десяти лет детектор AMS на Международной космической станции фиксирует повышенное число позитронов, или антиэлектронов. Эту «позитронную аномалию» можно было бы объяснить распадом частиц темной материи. Но тогда астрономы должны были бы видеть заметный фон гамма-излучения, которого нет.
Модель «темных атомов» предлагает другое объяснение. Ионизированная часть темной плазмы может быть сосредоточена в диске Галактики, как и обычное вещество. Ее распады могут давать позитроны. Нейтральные «темные атомы» при этом образуют большое гало вокруг Галактики и не создают сильного гамма-фона.
Еще одно направление работы связано с прямым поиском «темных атомов» на Земле. Ученые рассмотрели многолетнюю аномалию итальянского детектора DAMA/LIBRA. Этот эксперимент фиксирует сезонные изменения числа вспышек в кристаллах йодида натрия.
По расчетам физиков, такие вспышки могут быть следами «темных атомов» гелия. В этой модели объект имеет массу до 11 ТэВ, то есть намного тяжелее ядра свинца. Пролетая через горные породы, он тормозится до тепловых скоростей и медленно движется к центру Земли. Попав в детектор, такой атом может связываться с ядром натрия и испускать фотон с энергией 1–6 кэВ.
Модель также объясняет, почему сигнал должен меняться в течение года. Земля при движении вокруг Солнца то идет навстречу потоку темной материи, то удаляется от него. Именно годовую модуляцию в течение примерно 20 лет наблюдает DAMA/LIBRA.
По мнению авторов, сигнал должен быть сильнее для легких ядер, таких как натрий, и слабее для тяжелых ядер, например ксенона. Это может объяснить, почему аномалию видят установки на йодиде натрия, но не видят эксперименты с жидким ксеноном.
Сейчас исследователи продолжают уточнять модель. Они разрабатывают квантово-механические расчеты, которые должны описать связывание «темного атома» с обычным веществом. Также ученые ищут параметры, при которых концепция будет согласована с космологическими, астрофизическими и лабораторными данными.
Исследования поддержаны грантами Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования России.
Работой руководит главный научный сотрудник Института физики ЮФУ, профессор МИФИ Максим Хлопов. По замыслу ученых, невидимая часть Вселенной может иметь собственную «химию»: свои аналоги электронов, протонов и фотонов. Такие частицы могли объединяться в ранней Вселенной, когда она остывала после Большого взрыва.
Темная материя нужна физикам для объяснения движения галактик. Их звезды и газ вращаются так быстро, что одной видимой материи не хватило бы для удержания галактик. Значит, в них есть невидимая масса. Однако десятки экспериментов пока не нашли частиц темной материи. Особенно сложной стала ситуация для популярной гипотезы WIMP — тяжелых слабо взаимодействующих частиц.
«Следует отметить, что неизбежные расширения Стандартной модели фундаментальных взаимодействий, необходимые для решения ее проблем, предсказывают очень широкий круг возможных кандидатов на роль частиц скрытой массы. Прежнюю охоту за одним-единственным типом частиц скрытой массы — массивными слабовзаимодействующими частицами — стимулировали расчеты их современной плотности, ожидание открытия суперсимметричных партнеров таких частиц на БАК и возможность регистрации ядер отдачи от редких событий столкновения этих частиц в подземных детекторах. Отсутствие положительных результатов как поиска суперсимметричных частиц в БАК, так и эффектов ядер отдачи в подземных экспериментах заставляет обратиться к анализу других возможных форм скрытой массы», — отметил Хлопов.
Одна из моделей предполагает существование сверхтяжелой частицы X с большим отрицательным зарядом. Такая частица может захватывать легкие ядра обычного вещества, например ядра гелия. В результате возникает электрически нейтральный «темный атом», который ведет себя как холодная невидимая материя.
В другой работе ученые рассмотрели трехчастичную рекомбинацию. Это процесс, при котором две противоположно заряженные частицы образуют атом, а третья частица забирает лишнюю энергию. Похожий механизм действует в обычной плазме. Авторы показали, что в темном секторе такой процесс может идти эффективнее, чем считалось раньше.
Расчеты показали, что при достаточно большом «темном заряде» почти вся темная материя к сегодняшнему дню могла перейти в нейтральные «темные атомы». При этом небольшая часть могла остаться ионизированной, то есть заряженной. Такая двухкомпонентная структура помогает объяснить еще одну загадку — избыток позитронов в космических лучах.
Более десяти лет детектор AMS на Международной космической станции фиксирует повышенное число позитронов, или антиэлектронов. Эту «позитронную аномалию» можно было бы объяснить распадом частиц темной материи. Но тогда астрономы должны были бы видеть заметный фон гамма-излучения, которого нет.
Модель «темных атомов» предлагает другое объяснение. Ионизированная часть темной плазмы может быть сосредоточена в диске Галактики, как и обычное вещество. Ее распады могут давать позитроны. Нейтральные «темные атомы» при этом образуют большое гало вокруг Галактики и не создают сильного гамма-фона.
Еще одно направление работы связано с прямым поиском «темных атомов» на Земле. Ученые рассмотрели многолетнюю аномалию итальянского детектора DAMA/LIBRA. Этот эксперимент фиксирует сезонные изменения числа вспышек в кристаллах йодида натрия.
По расчетам физиков, такие вспышки могут быть следами «темных атомов» гелия. В этой модели объект имеет массу до 11 ТэВ, то есть намного тяжелее ядра свинца. Пролетая через горные породы, он тормозится до тепловых скоростей и медленно движется к центру Земли. Попав в детектор, такой атом может связываться с ядром натрия и испускать фотон с энергией 1–6 кэВ.
Модель также объясняет, почему сигнал должен меняться в течение года. Земля при движении вокруг Солнца то идет навстречу потоку темной материи, то удаляется от него. Именно годовую модуляцию в течение примерно 20 лет наблюдает DAMA/LIBRA.
По мнению авторов, сигнал должен быть сильнее для легких ядер, таких как натрий, и слабее для тяжелых ядер, например ксенона. Это может объяснить, почему аномалию видят установки на йодиде натрия, но не видят эксперименты с жидким ксеноном.
Сейчас исследователи продолжают уточнять модель. Они разрабатывают квантово-механические расчеты, которые должны описать связывание «темного атома» с обычным веществом. Также ученые ищут параметры, при которых концепция будет согласована с космологическими, астрофизическими и лабораторными данными.
Исследования поддержаны грантами Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования России.
