Физики оценили минимальную массу одной частицы темной материи в карликовой галактике Лев II и получили значение в 2,2×10-21 электронвольт. Ученые получили такой результат после анализа кинематического движения звезд в спутнике Млечного Пути, полагая, что темная материя состоит из бозонов одного вида.
Новая оценка стала самой универсальной на сегодняшний день, поскольку основывалась на базовых принципах квантовой механики. Результаты исследования опубликованы в Physical Review Letters.
Физики давно предполагают существование темной материи, но в явном виде ее пока не нашли: ученые не увидели ни ее саму с помощью детектора LZ, ни даже темных фотонов, порожденных ее взаимодействием. В связи с этим исследователи идут на самые различные ухищрения с целью охарактеризовать параметры неуловимого феномена. Например, для оценки минимальной массы одной частицы темной материи достаточно потребовать, чтобы длина волны де Бройля в конкретной галактике была меньше вириального радиуса этой галактики. Для так называемых карликовых галактик эта оценка составила примерно 10-22 электронвольт, что дало физикам общее представление о порядке величины, но не стало окончательным и точным пределом.
Тим Циммерман (Tim Zimmermann) из Университета Осло совместно с коллегами из Великобритании и Нидерландов использовал данные о вращении звезд в галактике Лев II — карликовом спутнике Млечного Пути, чтобы восстановить статистический ансамбль волновых функций темной материи и соответствующие ей профили плотности.
Исследователи воспользовались принципом неопределенности Гейзенберга: они предположили, что произведение массы одной частицы темной материи на дисперсию ее скорости и пространственную протяженность, в которой она существует, должно быть больше, чем полторы постоянных Планка. Ученые использовали конкретные значения скорости и радиуса, полученные в результате анализа кинематических данных карликовой галактики Лев II: в распоряжении авторов оказался набор из пяти тысяч точек, для каждой из которых физики восстановили волновую функцию. Затем они сравнили реконструированные волновые функции с пространственным распределением звезд в галактике и проварьировали массу бозона до тех пор, пока оба распределения не стали статистически неразличимыми. В результате исследователи получили минимальную массу одной частицы темной материи в 2,2×10-21 электронвольт с доверительным интервалом 95 процентов.
Авторы работы подчеркнули, что приведенная ими оценка стала самой универсальной среди существующих сегодня исследований, поскольку исходила только из общих физических принципов и не использовала предположения о космологии или сложной нелинейной динамике темной материи. Ученые также отметили, что если предполагаемые частицы темной материи относятся к фермионам, то в таком случае нижняя оценка массы будет построена на принципе запрета Паули и составит примерно 120 электронвольт на том же наборе наблюдательных данных.