Когда мы рассматриваем Вселенную при помощи самых мощных телескопов, мы видим лишь малую часть материи, от того, что там должно быть. Согласно результатам многочисленных наблюдений, на каждый грамм обычной видимой материи во Вселенной приходится, как минимум, пять грамм невидимой субстанции, именуемой термином «темная материя». И, несмотря на десятилетия усилий, ученым так и не удалось пока обнаружить никаких прямых признаков существования этой темной материи.
Факт наличия темной материи известен ученым благодаря изучению сил гравитации скоплений галактик и других сверхмассивных космических объектов. Количества обычной материи, из которой состоят эти объекты, недостаточно для создания гравитационных сил, способных удерживать эти объекты в целостности. Это, в свою очередь, означает, что в недрах этих объектов должно находиться большое количество дополнительной невидимой материи, состоящей из элементарных частиц новых видов, которые еще не были открыты учеными.
В природе существуют четыре вида фундаментальных сил, при помощи которых элементарные частицы взаимодействуют друг с другом и окружающей их средой. Есть силы сильных ядерных взаимодействий, за счет которых удерживаются частицы, из которых состоят ядра атомов. Есть силы слабых ядерных взаимодействий, которые принимают участие в процессах распада ядер атомов. Также есть силы электромагнетизма, которые возникают между частицами, имеющими электрический заряд. И, наконец, еще существуют силы гравитации. Для того, чтобы иметь возможность наблюдать материю непосредственно, требуется чтобы ее частицы могли взаимодействовать посредством сил электромагнетизма, поскольку в результате этого возникают фотоны света или другие виды излучения, которые можно зарегистрировать при помощи телескопов или других научных инструментов.
На должность темной материи у ученых уже имеется несколько кандидатов, каждый из которых взаимодействует с окружающим миром своим уникальным способом. Однако, некоторые из этих кандидатов имеют большую вероятность быть частицами темной материи. И ниже мы познакомим вас с пятеркой основных претендентов, имеющих самую большую вероятность.
1. WIMP
WIMP-частицы (Weakly Interacting Massive Particle) являются частицами гипотетического типа, которые коренным образом отличаются от любых известных нам частиц. Такое различие объясняет, почему такие частицы очень тяжело не то, что увидеть, но и зарегистрировать при помощи специально предназначенных для этого научных инструментов. Согласно имеющейся теории, каждый квадратный сантиметр площади пронизывается в секунду 100 тысячами WIMP-частиц, однако, они способны взаимодействовать с окружающим миром только через силы слабых ядерных взаимодействий и через силы гравитации, что обеспечивает их неуловимый характер.
Математические модели показывают, что если WIMP-частицы существуют в реальности, то их размеры должны минимум в пять раз превышать размеры самых больших частиц обычной материи. И эти данные совпадают с соотношением между обычной и темной материей, вычисленным учеными при помощи некоторых вторичных эффектов. Такие частицы можно обнаружить только в редкие моменты их «лобового» столкновения с ядрами атомов обычной материи, в результате которых будут произведены фотоны света. И сейчас проводится несколько экспериментов, в том числе и XENON100, целью которых является регистрация таких столкновений.
Следует отметить, что WIMP-частицы являются предметом исследований, направленных на изучение физики, лежащей за пределами Стандартной Модели. Тем не менее, и в Стандартной Модели определена возможность существования этих частиц.
2. Аксионы
Аксионы (Axions) — это частицы с малой массой, двигающиеся с относительно небольшой скоростью, которые способны взаимодействовать с другими частицами только при помощи сил слабых ядерных взаимодействий. Это обуславливает то, что их очень тяжело обнаружить, однако не исключает полностью возможности этого обнаружения. Если аксионы существуют, то они должны распадаться, образуя пары частиц света, фотонов, которые, в свою очередь достаточно просто зарегистрировать при помощи современных технологий. И такие поиски аксионов ведутся в настоящее время несколькими экспериментами, в том числе Axion Dark Matter Experimentis.
3. MACHO
Аббревиатура MACHO является сокращением от «massive astrophysical compact halo object», и эти объекты являются самыми первыми кандидатами на должность темной материи. В отличие от всякого рода элементарных частиц, MACHO-объекты являются компактными, но массивными космическими объектами, такими, как нейтронные звезды, коричневые и белые карлики, состоящие из обычной материи. Однако, они являются невидимыми в силу одной особенности — они не излучают ни света, ни излучения любого другого вида.
Единственным способом наблюдать MACHO-объекты является регистрация изменений яркости свечения далеких звезд, транзитный метод, используемый для поисков экзопанет. Более того, такие объекты можно находить при помощи эффекта гравитационных линз, тем не менее, за все время исследований ученые не получили достоверных подтверждений существования MACHO-объектов.
4. Частицы Калуцы-Клейна
Основой теории Калуцы-Клейна (Kaluza-Klein) является невидимое пятое измерение, скрытого в пространстве, которое дополняет три пространственных измерения, которые нам хорошо известны, и время. Эта теория была основой, на которой построена нынешняя теория струн, и она определяет возможность существования частиц, которые вполне могут являться частицами темной материи. Согласно теории, частицы Калуцы-Клейна должны иметь массу в 440-600 раз превышающую массу протонов, они могут взаимодействовать с окружающей средой при помощи сил электромагнетизма и гравитации. Однако, наблюдая за Вселенной, ученые не могут видеть эти частицы, так как они скрыты в недрах пятого дополнительного измерения.
К счастью, такие частицы можно достаточно легко обнаружить экспериментальным путем, ведь они должны распадаться, образуя нейтрино и фотоны. И следы распадов такого вида ученые сейчас ищут в ходе экспериментов на Большом Адроном Коллайдере.
5. Гравитино
Теории, являющиеся комбинацией Общей теории относительности Альберта Эйнштейна и теории суперсимметрии, определяют возможность существования экзотической частицы под названием гравитино (gravitino). Теория суперсимметрии, которая является одной из успешных современных теорий, объясняющих множество феноменов и аномалий в наблюдениях, определяет, что все частицы-бозоны, в том числе и фотон, обладают «суперсимметричным» партнером. В случае фотона этот партнер, отличающийся от оригинала типом углового момента вращения, имеет название фотино (photino). А у гравитона, гипотетической частицы, определяющей гравитационное поле, имеется суперпартнер под названием гравитино. Согласно некоторым моделям частицы-гравитино очень легки и они вполне подходят в качестве кандидатов на частицы темной материи, обладая сильным гравитационным полем.
