Физики использовали все еще живых людей в качестве детектора темной материи

Физики смогли вывести новые ограничения на параметры частиц темной материи с большой массой, опираясь на факт отсутствия гибели людей от столкновения с ними. Результаты справедливы для класса массивных частиц-кандидатов, которые должны рассеиваться на обычной материи в упругом режиме, пишут авторы в препринте на сервере arXiv.org.

Темной материей в астрономии называют несколько несостыковок между наблюдательными данными и теоретическими оценками. К ним относятся кривые вращения галактик, определяемые на основе линзирования и динамической устойчивости массы скоплений галактик, история формирования крупномасштабной структуры и некоторые другие. В современной космологии считается, что на долю темной материи приходится около четверти суммарной плотности энергии во Вселенной.

На данный момент не существует полноценного объяснения феномену темной материи, а предложенные гипотезы могут использовать принципиально разные явления. Однако наибольшей популярностью среди ученых пользуется предположение о темной материи как о новой форме вещества, состоящей из частиц. Тем не менее, в рамках этого подхода также существует большое разнообразие моделей, так как ни масса, ни другие параметры таких частиц неизвестны.

В течение последних лет наибольшей популярностью пользовалась гипотеза вимпов (WIMP — Weakly Interacting Massive Particle, слабовзаимодействующая массивная частица), чья масса сравнима с известными компонентами обычной материи. Однако интенсивные поиски взаимодействий таких объектов с атомными ядрами на специальных детекторах, а также попытки получить их в столкновениях на ускорителях частиц не увенчались успехом, из-за чего данная модель постепенно теряет популярность.

Сложившаяся ситуация заставляет теоретиков обращаться к не изученным ранее областям параметров. Некоторые ученые выдвигают идеи о сверхлегких частицах, таких как аксионы или размытая темная материя, а другие, наоборот, исследуют крупные тела, вплоть до первичных черных дыр с массами порядка солнечной.

В работе американских ученых под руководством Гленна Старкмана (Glenn Starkman) исследуется вопрос о возможности существования частиц темной материи с макроскопическими массами порядка килограмма и производимых ими эффектах. Такие объекты могут быть экзотическими конгломератами известных частиц Стандартной модели, которые теоретики предложили около 30 лет назад.

Подобные объекты, которые физики называют макросами (macros), должны обладать плотностью порядка ядерной, то есть будут крайне малы даже при заметной для человека массе. Авторы напоминают, что многие диапазоны параметров уже исключены в других работах при помощи реликтового излучения, взаимодействия со светом, активности белых карликов и других явлений. Тем не менее, некоторые области пространства параметров остаются без ограничений.

Исследователи предлагают рассмотреть человеческое тело в качестве детектора, «срабатывание» которого, то есть успешное взаимодействие с темной материей, приводит к смерти. Авторы сравнивают это с попаданием пули в плане выделяемой энергии (не менее 100 джоулей), но отмечают значительную разницу в других параметрах: макросы должны двигаться примерно со скоростью 250 километров в секунду, а сечение взаимодействия составлять порядка квадратного микрона. Соответственно, макросы порождают иные повреждения — вместо заметного отверстия они должны нагревать расположенный вдоль траектории движения участок ткани в форме цилиндра до температуры порядка 10 миллионов кельвин, то есть превращать его в плазму.

Так как во многих странах существует достаточно надежная статистика об отсутствии смертей от подобных повреждений, то это позволяет наложить ограничения на массы макросов. Физики делают вывод, что подобных частиц с массами менее 50 килограмм не может существовать. Если же массы макросов больше, то их концентрация не очень велика и вероятность столкновения с человеком также низка, однако накопление статистики будет улучшать эту оценку.

О важности идеи темной материи в космологии мы говорили с астрофизиком Андреем Дорошкевичем в материале «Невидимый цемент Вселенной». На основе наблюдений за мерцаниями звезд в Туманности Андромеды ученые запретили темной материи состоять из черных дыр с массой Луны. Также ограничения на массу сверхлегких частиц темной материи удалось получить из фотографии тени черной дыры.

Тимур Кешелава