Ученые предложили новую модель темной материи с тяжелыми составными частицами
Группа физиков-теоретиков предложила новую модель темной материи, в которой набор фундаментальных частиц и их взаимодействий похож на сильно-взаимодействующий сектор Стандартной модели, описываемый квантовой хромодинамикой. В рамках этого описания наблюдаемая в настоящее время темная материя состоит из аналогов привычных нам сильно-взаимодействующих частиц, но с темными кварками и глюонами входящими в их состав. Эти частицы образуются в ранней Вселенной во время фазового перехода конфайнмент/деконфаймент и имеют большую массу, а также потенциально достаточно сильно взаимодействуют с частицами Стандартной модели, что объясняет трудности с их экспериментальным обнаружением в лабораторных экспериментах. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Астрономические наблюдения за темпом расширения Вселенной, скоростью движения звезд в галактиках, а также теоретический анализ темпа формирования последних, указывают на то, что около 85 процентов массы вещества приходится на темную материю. Главным кандидатом на роль ее составляющих считаются массивные элементарные частицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях — вимпы (WIMP, weakly interacting massive particle), однако не существует общепринятой теории, описывающей количество этих частиц, их свойства, а также детали их взаимодействия друг с другом и с другими частицами.
Одна из гипотез происхождения темной материи гласит, что ее частицы могут быть составными, и устроены они аналогично привычным нам адронам, состоящим из кварков и глюонов. В таких теориях существует характерный масштаб энергий Λ, при котором происходит конфайнмент — если энергия взаимодействующих фундаментальных частиц падает ниже этой энергии, то они объединяются в темный адрон. Когда физики рассматривают космологическую эволюцию темной материи, то возможны два варианта: Λ больше энергии, при которой происходит вымораживание темных кварков, то есть их выпадение из термодинамического равновесия с другими частицами, или же она меньше. Первый вариант рассматривался учеными ранее, и приводил к результатам качественно близким к другим моделям темной энергии, состоящей из вимпов.
Группа физиков-теоретиков из Израиля и США под руководством Юрия Смирнова (Juri Smirnov) из университета Огайо детально проанализировала космологическую эволюцию составной темной материи в ситуации, когда вымораживание происходит раньше фазового перехода конфайнмент/деконфайнмент в процессе расширения Вселенной, и выяснила, что в этом случае она существенно отличается от того, что происходит в других моделях этого типа вещества. Фундаментальными составляющими темной материи в предложенной физиками модели являются нехиральные темные кварки и антикварки трех цветов, а также темные глюоны, переносящие аналогичное сильному взаимодействие между кварками. В отличие от Стандартной модели, темный сектор содержит всего один аромат кварков, масса которых mq к тому же очень велика — более чем в 100 раз превышает масштаб темного конфайнмента, а это означает, что к моменту, когда температура Вселенной опускается до энергии Λ, темные кварки являются глубоко нерелятивистскими, а такие частицы всегда вымораживаются.
Образование составных частиц, из которых темная материя предположительно состоит сегодня, происходило следующим образом. Пока температура Вселенной существенно превышает Λ, темный сектор материи находится в фазе деконфаймента и частицы этого сектора представляют собой кварк-глюонную плазму. Когда температура подходит к энергии фазового перехода достаточно близко, во Вселенной начинают образовываться пузыри нового вакуума, в котором происходит конфайнмент темной материи. Эти пузыри растут, и «толкают» перед собой темные кварки, которым энергетически невыгодно находиться внутри пузыря новой фазы. Энергия кварков при попадании в пузырь стала бы гораздо больше, чем снаружи, так как в фазе конфайнмента между кварками обязательно образуется трубка глюонного поля, энергия которой пропорциональна ее длине. Для темного кварка, случайно попавшего внутрь пузыря, расстояние до другого кварка там скорее всего было бы достаточно большим, а значит большой была бы и энергия глюонной трубки. Если бы масса кварков была меньше или сравнима с масштабом темного конфайнмента Λ, то трубка могла бы разорваться из-за образования кварк-антикварковой пары, превратившей новый кварк и один из кварков внутри пузыря в два темных мезона, но для тяжелых кварков такой процесс еще более невыгоден энергетически. Из-за этого и возникает качественное различие в космологической эволюции темной материи при mq > Λ и mq < Λ.
Со временем пузыри вакуума фазы конфайнмента вырастают настолько, что их объем становится больше, чем объем пространства с вакуумом деконфайнмента, которое само начинает превращаться в изолированные пузыри, содержащие в себе все темные кварки и антикварки. Количество темных частиц и античастиц очень близко, а потому почти все собранные в сжимающихся пузырях старой фазы кварки и антикварки аннигилируют. В каждом таком пузыре случайным образом образуется небольшой избыток темных кварков или антикварков, которым аннигилировать не с чем, и они формируют темные барионы или антибарионы, которые и представляют собой составные частицы темной материи в вакууме конфайнмента, когда пузыри старой фазы окончательно схлопнутся. Так как почти вся изначально существовавшая темная материя аннигилирует, после завершения фазового перехода остается мало ее составных частиц.
Чтобы получить реалистичную полную массу темной материи, которую мы сейчас наблюдаем, масса одного темного бариона должна быть порядка 103–105 тераэлектронвольт. То, что частиц темной материи мало, а их масса велика, хорошо объясняет трудности с их экспериментальным обнаружением в лабораторных экспериментах. Астрофизики могут не видеть негравитационные взаимодействия частиц темной материи с другими не из-за слабости этого взаимодействия, а из-за его редкости, и если это взаимодействие сильно, то частицы темной материи не могут долететь до подземных детекторов типа XENON из-за их взаимодействия с веществом земной коры. В ускорителях же такие тяжелые частицы не могут родиться просто из-за того, что их массы существенно превышают энергии сталкивающихся там частиц.
Ранее мы писали о предложенном эксперименте по поиску сверхтяжелых частиц темной материи с помощью миллиардов маленьких маятников.
Андрей Фельдман
Для этого он снимал на видео и моделировал работу этой игрушки
Американский физик экспериментально и теоретически исследовал вращение нити в стрингшутере — игрушке, в которой небольшие вращающиеся колеса формируют в воздухе стабильные нитевые петли. Построенная ученым модель хорошо объяснила опыт и при этом оказалась достаточно простой, чтобы использовать ее на занятиях по механике. Исследование опубликовано в The Physics Teacher. Стрингшутер (иногда струнный шутер) — это игрушка, представляющая собой длинную замкнутую нить, вращающуюся вдоль своей длины под действием управляющих колесиков или валов подобно лассо. Замечательная особенность стрингшутера в том, что при правильных условиях в воздухе образуется стабильная веревочная петля, по которой можно запускать волны. Этот факт привлек внимание физиков сравнительно недавно и получил удовлетворительное математическое объяснение. Вместе с тем, игрушка могла бы стать хорошим дидактическим материалом при изучении физики, поэтому было бы полезно построить достаточно простую теорию, описывающую петлю, но в то же время объясняющую эксперимент. Сделать это удалось Карлу Мамола (Karl Mamola) из Аппалачского университета. Он записал систему простых уравнений для петли стрингшутера и численно решил их, сравнив результат с вращением нити в настоящей игрушке, а также показал, откуда возникает ее устойчивость. Чтобы двигающаяся петля оставалась в равновесии, необходимо, чтобы была равна нулю не только действующая на нее равнодействующая сила, но и полный момент сил. Особенность игрушки в том, что колеса не создают такого момента, поскольку прилагаемая ими сила имеет нулевое плечо. Аэродинамической подъемной силы в этом случае также не возникает из-за того, что воздушный поток вокруг нити симметричный. Вместо этого воздух создает силу сопротивления, зависящую от скорости. А поскольку модуль скорости постоянен вдоль нити, то таким же свойством обладает и сила сопротивления. Ее интегральное действие на всю петлю формирует момент сил, направленный противоположно гравитационному моменту и обеспечивающий равновесие. С учетом этого факта физик рассмотрел бесконечно малый участок нерастяжимой и абсолютно гибкой нити и записал для него второй закон Ньютона для движения и вращения. Численное интегрирование этих уравнений способно восстановить форму петли, для чего ученому нужны были какие-то конкретные параметры петли. Он взял их из эксперимента с реальной игрушкой, произведенной фирмой LoopLasso, с нитью стрингшутера длиной 3,08 метра и массой 2,72 грамма и диаметром колес 2,7 сантиметра. Боковая фотография нити и ее последующая оцифровка позволили получить координаты участков петли и ее общие параметры: размер, угол запуска и угол возврата. Также физик пометил один из участков нити маркером, что позволило вычислить скорость нити по видео — она составила 7,5 метра в секунду. Автор использовал добытые параметры в моделировании. Единственную неизвестную величину — коэффициент сопротивления — он извлек из подгонки с наилучшим соответствием. Результаты моделирования оказались в хорошем согласии с опытом. Отклонения наблюдались только в области большой кривизны — физик связал это с невыполнением требования абсолютной гибкости. На основе развитой модели он также показал, что момент силы тяжести уравновешивается сопротивлением воздуха вдоль всей нити. Ранее мы рассказывали, как физики объясняют механику других повседневных вещей и явлений: падения бутерброда маслом вниз, живучесть кошек при падении с высоты и переноску чашки с кофе.