Физики предложили новый механизм образования темной материи

T. Bringmann et al. / Physical Review Letters, 2021

Физики предложили новый механизм взаимодействия вещества и темной материи, который хорошо объясняет ее количество во Вселенной. Этот механизм основан на возможности преобразования обычной материи в темную, что обеспечивает очень быстрый рост количества последней на определенном этапе эволюции Вселенной. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Темная материя — это гипотетический вид вещества, которого во Вселенной примерно в пять раз больше, чем обычной материи. Главным кандидатом на роль ее составляющих считаются массивные элементарные частицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях — вимпы (WIMP, weakly interacting massive particle). Неизвестно, что это за частицы, как конкретно они взаимодействуют с другими частицами, и сколько их возникло на самых ранних этапах эволюции Вселенной, понимания которых сейчас тоже нет.

Для описания темной материи и на более поздних стадиях, когда Вселенная уже расширилась и остыла достаточно для того, чтобы остальные частицы хорошо описывались Стандартной моделью, существует несколько основных теорий. Согласно этим теориям, наблюдаемая в настоящее время темная материя возникла либо в результате распада ее частиц DM на частицы Стандартной модели A в реакциях типа DM → A + A или DM + DM → A + A, либо при взаимодействии обычных частиц в реакциях A + A → DM + DM. Но в первом случае начальное число частиц темной материи было больше, чем наблюдаемое сейчас, а во втором — меньше.

Группа исследователей из Бельгии, Германии, Израиля, Норвегии и США под руководством Торстена Брингманна (Torsten Bringmann) из университета Осло предложила механизм генерации новых частиц темной материи из взаимодействия уже существующей темной материи и обычного вещества в реакциях A + DM → DM + DM. В таком процессе число частиц темной материи растет экспоненциально быстро. Это приводит к тому, что, имея сначала даже небольшое число ее частиц, можно быстро достичь современного соотношения масс темной материи и обычного барионного вещества (приблизительно пять к одному). С расширением и остыванием Вселенной концентрация частиц падает, а вместе с ней — и скорость генерации частиц темной материи. Когда температура становится меньше масс частиц A, реакция практически прекращается и число частиц DM выходит на плато.

Такой механизм генерации темной материи работает для очень широкого диапазона масс ее частиц — от приблизительно нескольких мегаэлектронвольт до десятков тераэлектронвольт. Это же справедливо и для константы связи, определяющей интенсивность взаимодействия частиц темной материи с барионным веществом: физики построили реалистичные модели экспоненциальной генерации темной материи с константами связи, меняющимися от 10-10 до 10-2.

Исследователи надеются, что лабораторные эксперименты следующего поколения, а также более точные измерения спектра микроволнового фона позволят определить, является ли их теория генерации темной материи правильной или нет.

О том, какую роль темная материя играет в эволюции Вселенной и формировании структур в ней, мы писали в материале «Невидимый цемент Вселенной».

Андрей Фельдман

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.