Легкие, но многочисленные: физики впервые составили профиль аксионов - потенциальных частиц темной материи. С помощью суперкомпьютера они определили, сколько этих гипотетических частиц образовалось после Большого взрыва и насколько они должны быть тяжелыми. Таким образом, масса аксионов находится в диапазоне, который вскоре можно будет обнаружить с помощью детекторов, как сообщают исследователи в журнале Nature.
Физики годами ищут частицы, из которых состоит темная материя, но пока тщетно. Четыре пятых вещества в нашей Вселенной состоит из темной материи. Но поскольку эта форма материи взаимодействует с остальной частью космоса только посредством гравитации, ее истинную природу установить трудно. Единственное, что кажется ясным, это то, что вовлеченные частицы еще не должны быть включены в Стандартную модель физики элементарных частиц.
Никаких признаков вимпов
«Слабо взаимодействующие массивные частицы» (WIMP) считаются наиболее многообещающими кандидатами на сегодняшний день. Согласно современной теории, эти частицы должны быть очень массивными и вести себя как свои собственные античастицы: если они сталкиваются, они компенсируют друг друга и испускают в процессе гамма-лучи.
На самом деле, несколько приборов уже зафиксировали явный избыток таких гамма-лучей в сердце Млечного Пути и в центрах карликовых галактик. Однако, поскольку обычные космические события также испускают такое излучение, этого недостаточно для доказательства вимпов. Детектор, который должен был регистрировать прямые следы столкновений от вимпов, к концу своего существования не зарегистрировал сигнал.
Загадочная симметрия времени
Но есть еще один кандидат: Axion. Эта гипотетическая частица долгое время считалась возможным объяснением удивительного свойства сильного ядерного взаимодействия - силы, которая удерживает вместе кварки в протонах и нейтронах. Обычно эта сила, также описываемая как квантовая хромодинамика, должна быть асимметричной во времени, как и все другие основные силы:
В дополнение к вимпам кандидатами на роль частиц темной материи считаются аксионы (A0). Здесь перед смоделированным распределением темной материи примерно через три миллиарда лет после Большого взрыва.
«Теоретические соображения показывают, что в квантовой хромодинамике существуют так называемые топологические квантовые флуктуации, которые должны приводить к наблюдаемому нарушению инвариантности к обращению времени», - сообщает соавтор Андреас Рингвальд из Немецкого электронного синхротрона (ДЕЗИ). Поэтому определенные процессы в контексте этой ядерной энергетики должны идти иначе, чем в прямом, а не в обратном направлении. Однако, похоже, это не так - по крайней мере, пока это не наблюдалось в экспериментах.
Аксион как решение обеих проблем?
И таинственную временную симметрию, и темную материю можно объяснить, расширив законы квантовой хромодинамики (КХД) и предполагая существование аксионов. Потому что, если масса и характеристики этой частицы зависят от силы топологических квантовых флуктуаций, они могли бы их уравновесить - это делает возможной временную симметрию. В то же время аксионы также могут быть частицами темной материи.
Чтобы иметь возможность экспериментально доказать гипотетический аксион, вы должны знать его массу - по крайней мере, с точки зрения диапазона его размеров. Золтану Фодору из Forschungszentrum Jülich и Университета Этвёша в Будапеште и его коллегам удалось таким образом сузить область поиска.
Для своего исследования ученые использовали суперкомпьютер JUQUEEN (BlueGene/Q) в Юлихе для моделирования квантовых состояний пространства-времени в условиях, подобных тем, что были сразу после Большого взрыва. Согласно теории, масса аксионов должна быть пропорциональна частоте изменения топологического квантового числа ранней Вселенной. Однако определить это можно только с помощью самых мощных суперкомпьютеров.
Подтверждение возможно в ближайшие несколько лет
Результаты теперь предоставляют наиболее конкретную информацию о диапазоне масс, в котором поиск аксионов наиболее перспективен. Соответственно, аксион должен иметь массу от 50 до 1500 микроэлектронвольт. Он будет в десять миллиардов раз легче электрона и его можно будет обнаружить с помощью нескольких запланированных детекторов.
«Ожидается, что представленные результаты приведут к гонке за открытие этих частиц», - говорит Фодор. Если аксионы существуют, их можно либо подтвердить экспериментально, либо исключить в ближайшие несколько лет.
Для этого должно быть достаточно аксионов: Согласно моделированию, в каждом кубическом сантиметре Вселенной их около десяти миллионов - в среднем. В нашей локальной окрестности Млечного Пути будет даже около одного триллиона аксионов на кубический сантиметр, потому что темная материя здесь более сконцентрирована, чем в межгалактическом пространстве.