Итальянцы разрешили темной материи иметь цвет

paul goeltz / flickr.com
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 MQ). 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/ΛQCD2, которая равна ΛQCD ≈ 0,31 гигаэлектронвольт, а потому для образования связанного состояния QQ реакция должна иметь сравнительно большой прицельный параметр b ~ 1/ΛQCD (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 ~ 0,3ΛQCD 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.
Дмитрий Трунин