Чи існує “дзеркальний світ”? Вчені висунули нові теорії походження темної матерії

Темна матерія, яка становить близько 80% усієї матерії у Всесвіті, залишається однією з найбільших наукових загадок сучасності. Її неможливо побачити, але саме вона утримує галактики разом і формує великомасштабну структуру космосу. Попри десятиліття досліджень, її природа досі невідома. Однак два дослідження професора Стефано Профумо з Каліфорнійського університету в Санта-Круз можуть запропонувати новий ключ до розгадки, передає Phys.

У своїх статтях, опублікованих у журналі Physical Review D, вчений описує два окремі механізми виникнення темної матерії, які ґрунтуються на відомих законах фізики, не вимагаючи додаткових взаємодій зі звичайною матерією. Профумо пропонує гіпотезу, згідно з якою темна матерія могла виникнути в прихованому або “дзеркальному” секторі – паралельному світі, який містить свої власні частинки й сили, подібні до тих, що існують у видимому Всесвіті. Ідея базується на квантовій хромодинаміці (КХД) – теорії, що пояснює, як кварки взаємодіють через сильну ядерну силу.

За аналогією, у “темній версії” КХД можуть існувати темні кварки та темні глюони, які формують важкі складові частинки – темні баріони. Ці частинки, за умов раннього Всесвіту, могли колапсувати під власною гравітацією в крихітні стабільні об’єкти, подібні до чорних дір. Хоча вони майже не піддаються виявленню, їхня гравітаційна присутність могла б пояснити всі спостереження, які ми нині приписуємо темній матерії.

Профумо підкреслює: цей сценарій не потребує нових сил природи або взаємодій – усе залишається в межах перевірених фізичних теорій. Маса таких об'єктів перевищувала б планківську, тобто мінімальну масу, визначену квантовою гравітацією, і саме тому їх часто прирівнюють до залишкових чорних дір.

Інше дослідження розглядає альтернативну гіпотезу – темна матерія могла з’явитися через квантові ефекти поблизу космічного горизонту, що виник після Великого вибуху. Це своєрідна межа спостережуваного Всесвіту, подібна до горизонту подій чорної діри, де через викривлення простору-часу можуть народжуватися частинки.

Згідно з квантовою теорією поля у викривленому просторі, швидке розширення Всесвіту в ранню епоху могло призвести до гравітаційного утворення частинок темної матерії без необхідності у фізичних взаємодіях з іншими формами речовини. Залежно від параметрів цього процесу, зокрема температури й тривалості фази розширення, темна матерія могла мати різну масу, але лишатися стабільною і “невидимою”.

Профумо наголошує, що обидва сценарії не суперечать сучасним експериментальним даним. Навпаки – у час, коли пошук класичних частинок темної матерії, таких як аксіони чи WIMPs (Weakly interacting massive particle), дедалі частіше завершується нульовими результатами, такі альтернативні підходи виглядають все більш привабливо.

Каліфорнійський університет у Санта-Крузі вже понад 30 років є одним із центрів досліджень темної матерії. Тут працювали та працюють провідні фахівці з квантової хромодинаміки, астрофізики та космології. Сам Профумо є автором підручника An Introduction to Particle Dark Matter (2017), де аналізує різні підходи до вивчення мікроскопічної природи темної матерії.

У своїх нових публікаціях він продовжує цю традицію, поєднуючи теоретичну фізику з актуальними космологічними викликами. Обидва сценарії – і “дзеркальний Всесвіт”, і механізм горизонту, залишаються вкоріненими у перевірених принципах, таких як SU(N)-теорії та квантова гравітація, розширюючи межі відомого.

“Обидва механізми є дуже спекулятивними, але вони пропонують самодостатні та обчислювані сценарії, які не спираються на звичайні моделі темної матерії частинок, які дедалі більше перебувають під тиском нульових експериментальних результатів”, – зазначає Профумо.

Нещодавно космічний телескоп імені Джеймса Вебба (JWST) зафіксував галактику AMORE6 – один із перших відомих об’єктів з нульовою металічністю, тобто без елементів важчих за гелій. Це відкриття вважається прямим підтвердженням теорії Великого вибуху та процесу первинного нуклеосинтезу. Галактика, виявлена на червоному зміщенні z = 5,725, сформувалася менш ніж за мільярд років після початку існування Всесвіту.