Российские ученые из НИЯУ МИФИ вместе с коллегами из Южного федерального университета и физиками из Италии и Франции под руководством главного научного сотрудника Института физики ЮФУ, профессора МИФИ Максима Хлопова, для объяснения природы темной материи предложили не просто новую частицу, а целую «темную химию» — «периодическую таблицу» для невидимой Вселенной, состоящую из «темных атомов».
Много лет астрофизики бьются над главной головоломкой мироздания: галактики вращаются слишком быстро. Если бы существовала только видимая материя (звезды, газ и пыль), гравитация просто разорвала бы их в клочья. Значит, есть нечто, что мы не видим, но что обладает массой. Это нечто назвали темной материей.
Несмотря на десятки экспериментов, физики до сих пор не «поймали» ни одной частицы темной материи, а стандартная гипотеза о том, что она сложена тяжелыми, слабо взаимодействующими частицами (WIMP), переживает кризис.
Суть концепции, предлагаемой авторы заключается в том, что темная материя состоит не из одиночных частиц, а образует сложные структуры, подобные привычным нам атомам водорода или гелия, только из «темных атомов». В темном секторе есть свои «электроны» и «протоны». Они взаимодействуют друг с другом через «темный фотон». В ранней Вселенной, когда она остывала, эти частицы начали объединяться.
«В чём принципиальное отличие концепции «тёмной химии» с аналогами электронов, протонов и фотонов от прежней охоты за одной-единственной частицей тёмной материи? Следует отметить, что неизбежные расширения Стандартной модели фундаментальных взаимодействий, необходимые для решения ее проблем предсказывают очень широкий круг возможных кандидатов на роль частиц скрытой массы. Прежнюю охоту за одним-единственным типом частиц скрытой массы - массивными слабовзаимодействующими частицами (WIMPs - Weakly Interacting Massive Particles) стимулировали расчеты их современной плотности, соответствующей наблюдаемой плотности скрытой массы, ожидание открытия суперсимметричных партнеров таких частиц на БАК и возможностью регистрации ядер отдачи от редких событий столкновения этих частиц в подземных детекторах. Отсутствие положительных результатов как поиска суперсимметричных частиц в БАК, так и эффектов ядер отдачи в подземных экспериментах заставляет обратиться к анализу других возможных форм скрытой массы», - отмечает профессор Максим Хлопов.
В одной из моделей предсказывается существование сверхтяжелой частицы X с огромным отрицательным зарядом. Такая частица неизбежно должна захватывать легкие ядра обычного вещества, например ядра гелия. Рождается «темный атом», который электрически нейтрален и ведет себя как холодная невидимая материя.
В одной из статей ученые детально рассмотрели процесс трехчастичной рекомбинации. Дело происходит как в обычной плазме: чтобы два противоположно заряженных «темных» электрона и протона образовали атом, нужен третий партнер, который заберет лишнюю энергию. Авторы статьи показали, что этот механизм может работать гораздо эффективнее, чем считалось ранее.
Расчеты показывают, что если «темный заряд» достаточно велик, то к сегодняшнему дню почти вся темная материя успела «рекомбинировать», превратившись в смесь из нейтральных «темных атомов» и небольшой оставшейся ионизированной («заряженной») фракции. Эта двухкомпонентность — ключ к разгадке другого космического «чуда».
Более десяти лет детектор AMS на МКС фиксирует подозрительно много позитронов (антиэлектронов), прилетающих из глубин космоса. Это так называемая «позитронная аномалия». Ее можно объяснить распадом частиц темной материи, но есть нюанс: тогда в космосе должен быть виден и фон гамма-излучения, который астрономы почему-то не видят.
Концепция «темных атомов» предлагает элегантное объяснение. Оставшаяся ионизированная часть темной плазмы может быть сосредоточена в диске Галактики (как и обычное вещество). Именно она, распадаясь, рождает позитроны. А нейтральные «темные атомы» образуют огромное гало, которое не светит в гамма-диапазоне. Так модель объясняет оба явления одновременно.
Другая статья посвящена прямому поиску «темных атомов» на Земле. Речь идет об известной многолетней аномалии в итальянском детекторе DAMA/LIBRA, который видит сезонное изменение количества «лишних» вспышек в кристалле йодида натрия. Согласно расчетам физиков МИФИ, это могут быть следы «темных атомов» гелия, пролетающих сквозь Землю.
В отличие от одиночных частиц, «темный атом», в представлении авторов, это большой и тяжелый объект массой до 11 ТэВ (тяжелее ядра свинца). Пролетая сквозь горную породу, он тормозится до тепловых скоростей и диффундирует к центру Земли. Добравшись до детектора, такой атом может «прилипнуть» к ядру натрия (Na), образовав экзотическое связанное состояние и испустив при этом фотон с энергией как раз в диапазоне 1–6 кэВ.
Исходя из предложенной модели, сигнал должен колебаться с частотой один год — Земля то движется навстречу потоку темной материи, то убегает от него. Это идеально совпадает с закономерностью, которую в течение 20 лет фиксирует DAMA. И второе — сигнал должен быть максимальным для легких ядер, таких как натрий, и подавленным для тяжелых (ксенон). И это, по мнению ученых, объясняет, почему аномалию видят одни установки, работающие на йодиде натрия, но не видят другие, работающие на жидком ксеноне.
Российские ученые — авторы концепции продолжают работу. Сейчас они разрабатывают квантово-механические модели, которые точно опишут, как именно «темный атом» связывается с обычным веществом, а также ищут параметры, при которых модель будет соответствовать всем накопленным данным.
Исследования поддержаны грантами РНФ и Минобрнауки России.