"Млечный Путь, XXI век", No 2 (39), 2022

Темное вещество, неуловимая субстанция, составляющая большую часть массы Вселенной, может состоять из массивных частиц, называемых гравитонами, которые возникли в первый момент после Большого взрыва. И эти гипотетические частицы могут быть космическими беженцами из дополнительных измерений, предполагает новая теория. Расчеты исследователей показывают, что эти гравитоны могли образоваться в нужных количествах, чтобы объяснить темное вещество, которое можно "увидеть" только через его гравитационное притяжение к обычной материи.

"Массивные гравитоны образуются в результате столкновений обычных частиц в ранней Вселенной. Считалось, что этот процесс слишком редок, чтобы массивные гравитоны могли быть кандидатами в темную материю", - сказал соавтор исследования Джакомо Каччапалья, физик из Лионского университета во Франции. Но в новом исследовании, опубликованном в феврале в журнале Physical Review Letters, Каччапалья вместе с физиками Корейского университета Хайинг Цай и Сын Дж. Ли обнаружили, что в ранней Вселенной было создано достаточное количество этих гравитонов. чтобы объяснить всю темную материю. Исследование показало, что гравитоны, если они существуют, будут иметь массу менее 1 мегаэлектронвольта (МэВ), то есть не более чем в два раза больше массы электрона. Этот уровень массы значительно ниже масштаба, при котором бозон Хиггса генерирует массу обычной материи, что является ключевым моментом для модели, позволяющей объяснить все темное вещество во Вселенной. (Для сравнения, самая легкая известная частица, нейтрино, весит менее 2 электронвольт, а протон весит примерно 940 МэВ)

Команда обнаружила эти гипотетические гравитоны во время поиска свидетельств существования дополнительных измерений, которые, как подозревают некоторые физики, существуют наряду с наблюдаемыми тремя измерениями пространства и четвертым измерением, временем.

Может ли Вселенная иметь больше измерений, чем мы думаем?

Согласно теории, когда гравитация распространяется через дополнительные измерения, она материализуется в нашей Вселенной в виде массивных гравитонов. Но эти частицы будут слабо взаимодействовать с обычным веществом и только через силу тяжести. Это описание похоже на то, что мы знаем о темном веществе. Его гравитационное влияние, например, предотвращает разлетание галактик.

"Основное преимущество массивных гравитонов как частиц темного вещества заключается в том, что они взаимодействуют только гравитационно, поэтому они могут избежать попыток обнаружить их присутствие", - сказал Каччапалья. Напротив, другие предполагаемые кандидаты, такие, как слабо взаимодействующие массивные частицы, аксионы и нейтрино, также могут ощущаться благодаря их очень тонким взаимодействиям с другими силами и полями.

Тот факт, что массивные гравитоны почти не взаимодействуют посредством гравитации с другими частицами и силами во Вселенной, дает еще одно преимущество. "Из-за их очень слабых взаимодействий они распадаются так медленно, что остаются стабильными на протяжении всей жизни Вселенной, - сказал Каччапалья. - По той же причине они медленно образуются во время расширения Вселенной и накапливаются до сегодняшнего дня".

В прошлом физики считали гравитоны маловероятными кандидатами для темного вещества, потому что процессы, которые их создают, чрезвычайно редки. В результате гравитоны будут создаваться гораздо медленнее, чем другие частицы. Но команда обнаружила, что за пикосекунду (триллионную долю секунды) после Большого взрыва было бы создано больше этих гравитонов, чем предполагалось в прошлых теориях. Исследование показало, что этого увеличения было достаточно для массивных гравитонов, чтобы полностью объяснить количество темной материи, которую мы обнаруживаем во Вселенной.

"Улучшение действительно стало шоком, - сказал Каччапалья. - Нам пришлось выполнить множество проверок, чтобы убедиться, что результат был правильным, поскольку это приводит к сдвигу парадигмы в том, как мы рассматриваем массивные гравитоны в качестве потенциальных кандидатов в темную материю".

Поскольку массивные гравитоны формируются ниже энергетического масштаба бозона Хиггса, они свободны от неопределенностей, связанных с более высокими энергетическими масштабами, которые современная физика элементарных частиц не очень хорошо описывает. Новая теория связывает физику, изучаемую на ускорителях частиц, таких, как Большой адронный коллайдер, с физикой гравитации. Это означает, что мощные ускорители частиц, такие как Будущий круговой коллайдер в ЦЕРН, который должен начать работу в 2035 году, могут искать доказательства этих потенциальных частиц темного вещества.

"Вероятно, лучшее, что у нас есть, - это будущие высокоточные коллайдеры частиц", - сказал Каччапалья. "Это то, что мы в настоящее время расследуем".

***

Ваш мозг - не для размышлений

Так называется статья, опубликованная в газете "New York Times". Написала статью доктор Лиза Фельдман, профессор психологии Северо-восточного университета и автор книги "Семь с половиной уроков о мозге".