Итальянцы разрешили темной материи иметь цвет

Итальянские физики-теоретики показали, что модель цветной темной материи, то есть темной материи, состоящей из связанных состояний частиц с ненулевым цветным зарядом (куорнов), вполне может оказаться жизнеспособной. Вопреки общепринятому мнению, существование таких частиц не приводит к образованию большого числа смешанных состояний обычных и «темных» кварков, а измеренное на данный момент сечение взаимодействия куорнов с частицами обычной материи согласуется с предсказаниями модели. Статья опубликована в Physical Review D и находится в свободном доступе.

Темная материя — одна из самых больших загадок современной физики. Несмотря на то, что ее существование подтверждается различными гравитационными эффектами, такими как кривые вращения галактик или гравитационное линзирование, до сих пор неизвестно, как она устроена на микроскопическом уровне. В настоящее время существует огромное число теоретических моделей, предлагающих возможных кандидатов на роль частиц темной материи — начиная от вимпов (weakly interacting massive particle), симпов (strongly interacting massive particle), суперсимметричных частиц и заканчивая стерильными нейтрино и аксионами. Общим свойством частиц темной материи является очень слабое взаимодействие с частицами Стандартной модели, которое не позволяет им участвовать в электромагнитных взаимодействиях и излучать фотоны — в частности, именно поэтому темную материю называют темной. Кроме того, обычно считается, что частицы темной материи имеют нулевой электрический и цветной заряд. Цветной заряд — это квантовое число, которое было введено в квантовой хромодинамике, подобно обычному электрическому заряду, и описывает силу взаимодействия между кварками. Всего существует три цветных заряда (красный, синий и зеленый), которые в сумме дают белый цвет, то есть эквивалентны незаряженной конфигурации.

В самом деле, расчеты показывают, что при наблюдаемой концентрации темной материи связанные электрические состояния заряженных частиц должны возникать очень редко. Следовательно, если бы темная материя была заряженной, она бы обязательно проявляла себя в электромагнитном взаимодействии, то есть переставала бы быть «темной». С другой стороны, частицы с ненулевым цветным зарядом (кварки и глюоны) могут существовать только в виде связанных состояний из-за конфайнмента — а значит, все цветные частицы темной материи обязательно свяжутся и образуют бесцветные комбинации. Стандартным аргументом против такого сценария служит тот факт, что наряду с «чисто темными» комбинациями будут возникать смешанные комбинации, в которые одновременно входят цветные частицы обычной и темной материи; при этом концентрация смешанных состояний будет много больше концентрации «чисто темных», поскольку число обычных кварков существенно превышает число темных кварков. В действительности же смешанные состояния не наблюдаются.

Тем не менее, группа ученых под руководством Алессандро Струмиа (Alessandro Strumia) поставила под сомнение этот аргумент и показала, что частицы темной материи вполне могут обладать цветным зарядом. Для этого они добавили в Стандартную модель стабильную массивную частицу Q с ненулевым цветным зарядом, для простоты считая ее электрически нейтральной (так что единственным свободным параметром модели была масса M_Q). Эта частица, получившая название куорн, может лежать как в фундаментальном, так и в присоединенном представлении группы хромодинамики SU(3)_c; в первом случае частица Q является «темным кварком» и образует связанные бесцветные состояния вида QQQ, а во втором случае — «темным глюоном», связанные состояния которых имеют вид QQ («темные глюболы»). Прочитать о представлениях группы SU(3)_c и их связи с хромодинамикой можно, например, в книге Валерия Рубакова. Такие адронные состояния, состоящие только из частиц темной материи, ученые назвали «чисто-куорнами» (quorn-onlyum hadrons). Разумеется, наряду с «чистыми» состояниями в предложенной теории возникают и смешанные состояния вроде Qqq, QQq и Qq̄ (если Q — кварк) или Qg, Qqq̄’ (если Q — глюон).

Затем ученые проверили, при каких условиях предложенная модель воспроизводит наблюдаемую массу темной материи. Для этого они вычислили сечение образования стабильного QQ-адрона при столкновении двух смешанных глюболов Qg + Qg → QQ + gg. Сечение такой реакции обратно пропорционально температуре фазового перехода КХД: σ ~π/Λ_QCD², которая равна Λ_QCD ≈ 0,31 гигаэлектронвольт, а потому для образования связанного состояния QQ реакция должна иметь сравнительно большой прицельный параметр b ~ 1/Λ_QCD (напомним, что в системе ℏ = c = 1 размерность длины совпадает с размерностью обратной массы, а масса измеряется в электронвольтах). В результате образующийся «чисто-куорн» будет иметь большой угловой момент, а значит, будет нестабилен. Тем не менее, выполненные учеными расчеты показали, что при температуре менее T ~ 0,3Λ_QCD и массе куорна около 12,5 тераэлектронвольт QQ-состояние не распадаются, как можно было ожидать, но переходит в стабильное состояние с нулевым угловым моментом, параллельно испуская мягкие низкоэнергетические глюоны Стандартной модели. Важно заметить, что при такой массе полное число куорнов, согласующееся с наблюдаемой массой темной материи, составляет всего 10⁻¹⁴ от числа частиц обычной материи.

Это значит, что в результате космологических процессов на ранних этапах жизни Вселенной все свободные куорны могли перейти в связанные бесцветные состояния, если скорость реакций слияния на этих этапах превышала скорость расширения Вселенной, заставляющей уменьшаться концентрацию свободных частиц. В самом деле, физики показали, что во времена фазового перехода КХД (температура вещества T ~ Λ_QCD) за характерное время расширения Вселенной успевало произойти порядка ~10¹⁹ реакций слияния куорнов. Поскольку число таких реакций много больше, чем отношение числа обычных кварков к числу куорнов (~10¹⁴), практически все куорны перешли в стабильные «чисто темные» состояния, а концентрация смешанных состояний оказалась исчезающе мала. По сути своей этот процесс аналогичен первичному нуклеосинтезу, в ходе которого образовались атомы легчайших химических элементов. Кроме того, предсказания модели хорошо согласуются с экспериментально наблюдаемой картиной мира.

Наконец, физики оценили сечение взаимодействия стабильных адронов QQ с частицами Стандартной модели, которое можно измерить в прямых экспериментах (устроенных аналогично XENON1T, SuperCDMS и так далее) или по косвенным свидетельствам (например, по скорости аннигиляции частиц темной материи). Оказалось, что проведенные на данный момент измерения пока еще не исключили предсказанную учеными массу частиц M_QQ ~ 25 тераэлектронвольт. Таким образом, предложенная физиками модель темной материи пока еще остается жизнеспособной.

Несмотря на то, что физики активно ищут частицы темной материи на ускорителях и в прямых экспериментах, предполагающих непосредственное взаимодействие вимпов с частицами Стандартной модели, они до сих пор еще не были обнаружены. В настоящее время сечение взаимодействия частиц темной и обычной материи оценивается сверху ничтожно малой величиной порядка 10⁻⁴⁷ квадратных сантиметров в диапазоне масс от 6 до 200 гигаэлектронвольт. Поэтому ученые постепенно переключаются на другие диапазоны масс, то есть ищут как ультралегкие частицы (например, аксионы с массой порядка 10⁻⁶ электронвольт), так и ультратяжелые (с массой более 10¹² электронвольт). В частности, предложенные итальянскими теоретиками куорны относятся именно к категории ультратяжелых частиц.

Дмитрий Трунин