Перший профіль для частинок темної речовини

Масове ув'язнення може дати свідчення протягом найближчих кількох років

Те, з чого складається Темна матерія, досі є дивним, оскільки це може бути доведено лише його гравітаційним ефектом, як тут (синій) у скупченні галактики кулі. © NASA / CXC / M білий
читати вголос

Легкий, але численний: фізики вперше склали профіль аксіонів - потенційних частинок темної речовини. За допомогою суперкомп'ютера вони визначили, скільки цих гіпотетичних частинок було створено після Великого вибуху та наскільки вони повинні бути важкими. Отже, маса аксіонів знаходиться в області, яку незабаром можна буде виявити за допомогою детекторів, про що повідомляють дослідники у журналі "Nature".

Фізики роками шукали частинки, що складають темну матерію - поки що марно. Хоча чотири п’яті речовини у нашому Всесвіті - це темна матерія. Але оскільки ця речовина форма взаємодіє лише з рештою космосу за допомогою сили тяжіння, її справжню природу важко з'ясувати. Зрозуміло лише, що вони повинні бути частинками, які ще не включені до стандартної моделі фізики частинок.

Немає сліду від WIMP

Найбільш перспективними кандидатами на сьогодні були "Слабо взаємодіючі масивні частинки" (WIMP). Відповідно до сучасної теорії, ці частинки повинні бути дуже масивними і поводитись як власні античастинки: вони стикаються, гасять один одного і виділяють гамма-промені.

Насправді кілька інструментів вже виявили показові надлишки такого гамма-випромінювання в самому серці Чумацького Шляху та в центрі карликових галактик. Але оскільки звичайні космічні події також випромінюють таке випромінювання, цього недостатньо для забезпечення WIMP. Детектор, який повинен реєструвати прямі сліди WIMP, не зареєстрував сигнал до кінця свого життя.

Енігматична симетрія часу

Але є ще один кандидат: Аксіон. Ця гіпотетична частинка здавна вважалася можливим поясненням дивовижної властивості сильної ядерної енергетики - сили, яка утримує кварки разом у протонах та нейтронах. Зазвичай ця сила, яка також характеризується квантовою хромодинамікою, повинна була б бути асиметричною в часі, як і всі інші основні сили:

Крім WIMP, аксіонами (A 0 ) вважаються кандидатами для частинок темної речовини. Тут перед імітованим розподілом темної речовини приблизно через три мільярди років після Великого вибуху. Вір Консорціум Діви / Олександр Амблард / ESA

"З теоретичних міркувань випливає, що в квантовій хромодинаміці існують так звані топологічні квантові коливання, які повинні призвести до помітного порушення інваріації зворотного часу", - каже співавтор Андреас Рінгвальд з Deutsches Elektronen Synchrotron (DESY). Окремі процеси в контексті цієї ядерної енергетики повинні протікати інакше, ніж відсталі. Однак, схоже, це не так, що принаймні цього не можна було спостерігати в експерименті.

Аксіон як вирішення обох проблем?

І таємнича симетрія часу, і темна речовина можна було пояснити розширенням законів квантової хромодинаміки (QCD) та припускаючи існування аксіонів. Бо якщо маса та особливості цієї частинки залежать від сили топологічних квантових коливань, вони могли б компенсувати їх, це робить можливою симетрію часу. У той же час, аксіони також могли бути частинками темної речовини.

Щоб можна було експериментально довести гіпотетичну аксіону, треба знати її масу найменше її розмірів. Такого звуження сфери пошуку тепер досягли Золтан Фодор з Forschungszentrum J lich та E tv s Universit t у Будапешті та його колеги.

Суперкомп'ютер JUQUEEN у Forschungszentrum J lich зробив можливим детальний розрахунок. FZ J lich

Для свого дослідження дослідники використовували суперкомп'ютер J lich JUQUEEN (BlueGene / Q) для моделювання квантових станів простору-часу в таких умовах, як безпосередньо після Великого вибуху. Згідно теорії, маса аксіонів повинна бути пропорційною частоті, з якою змінювалося топологічне квантове число раннього Всесвіту. Однак це можливо лише з найпотужнішими суперкомп'ютерами.

Доказ наявний протягом наступних кількох років

Зараз результати дають найбільш конкретну інформацію на даний момент, в якому діапазоні мас пошук осей є найбільш перспективним. Таким чином, аксіон повинен мати масу від 50 до 1500 мікроелектронних вольт. Це було б до десяти мільярдів разів простіше, ніж електрон і виявляється за допомогою декількох планових детекторів.

"Очікується, що представлені результати призведуть до гонки за відкриття цих частинок", - каже Фодор. Якщо аксіони існують, їх можна або підтвердити експериментально, або виключити протягом наступних кількох років.

У будь-якому випадку, там повинно бути достатньо осей: За даними симуляцій, у кожному кубічному сантиметрі Всесвіту є приблизно десять мільйонів - в середньому. У нашому локальному середовищі Чумацького Шляху було б аж трильйон аксіонів на кубічний сантиметр, адже тут темна речовина більш концентрована, ніж у міжгалактичному просторі. (Природа, 2016; doi: 10.1038 / природа20115)

(Природа / DESY, 03.11.2016 - НКО)