Standardowy model kosmologii mówi nam, że tylko 4,9% Wszechświata składa się ze zwykłej materii (tego, co widzimy), podczas gdy reszta to 26,8% ciemnej materii i 68,3% ciemnej. energia. Jak sugeruje nazwa tych pojęć, nie możemy ich zobaczyć, więc ich istnienie musi wynikać z modeli teoretycznych, obserwacji wielkoskalowej struktury Wszechświata i oczywistych efektów grawitacyjnych, które pojawiają się na widzialnej materii.
Odkąd o tym po raz pierwszy mówiono, z pewnością nie brakuje spekulacji na temat wyglądu cząstek ciemnej materii. Nie tak dawno temu wielu naukowców zaczęło sądzić, że ciemna materia składa się ze słabo oddziałujących masywnych cząstek (WIMP, WIMP), które mają około 100 razy większą masę od protonu, ale oddziałują jak neutrina. Niemniej jednak wszystkie próby znalezienia WIMP-ów za pomocą eksperymentów z akceleratorem cząstek nic nie dały. Dlatego naukowcy zaczęli szukać możliwych alternatyw dla składu ciemnej materii.
Współczesne modele kosmologiczne zwykle zakładają, że masa ciemnej materii mieści się w granicach 100 GeV (gigaelektronowoltów), co odpowiada limitom masy wielu innych cząstek, które oddziałują za pomocą słabej siły jądrowej. Istnienie takiej cząstki odpowiadałoby supersymetrycznemu rozszerzeniu Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych. Ponadto uważa się, że takie cząstki powinny powstać w gorącym, gęstym, wczesnym Wszechświecie, którego gęstość masowa materii pozostała niezmieniona do dziś.
Jednak trwające eksperymenty mające na celu identyfikację WIMP nie znalazły konkretnych dowodów na istnienie takich cząstek. Obejmowały one poszukiwania produktów anihilacji WIMP (promieni gamma, neutrin i promieni kosmicznych) w pobliskich galaktykach i gromadach, a także eksperymenty z bezpośrednią detekcją cząstek przy użyciu supercolliderów, takich jak LHC.
Dzięki supersymetrii mięczaki anihilują między sobą, tworząc kaskadę cząstek i promieniowania, w tym promieni gamma o średniej energii
Nie znajdując niczego, wielu naukowców zdecydowało się odejść od paradygmatu WIMP i poszukać ciemnej materii gdzie indziej. Jedna z takich grup kosmologów CERN i CP3-Origins w Danii opublikowała niedawno badanie pokazujące, że ciemna materia może być znacznie cięższa i słabsza w interakcji niż wcześniej sądzono.
Jeden z członków zespołu badawczego CP-3 Origins, dr McCullen Sandora, mówił o wysiłkach swojego zespołu:
Film promocyjny:
„Nie możemy jeszcze wykluczyć scenariusza WIMP, ale każdego roku podejrzewamy coraz więcej, niż niczego nie widzieliśmy. Ponadto zwykła słaba skala fizyki ma problem z hierarchią. Nie jest jasne, dlaczego wszystkie znane nam cząstki są tak lekkie, zwłaszcza jeśli spojrzeć na naturalną skalę grawitacji, skalę Plancka, która wynosi około 1019 GeV. Więc gdyby ciemna materia była bliżej skali Plancka, problem z hierarchią nie miałby na nią wpływu, a to również wyjaśniałoby, dlaczego nie widzieliśmy sygnatur związanych z WIMPami”.
Korzystając z nowego modelu, który nazywają oddziałującą ciemną materią Plancka (PIDM), naukowcy badają górną granicę masy ciemnej materii. Podczas gdy WIMP umieszczają masę ciemnej materii na górnym końcu skali elektrosłabej, duński zespół badawczy Martias Garney, McCullen Sandora i Martin Slot zaproponował cząstkę o masie o zupełnie innej naturalnej skali - Planckian.
W skali Plancka jedna jednostka masy odpowiada 2,17645 x 10-8 kilogramom, czyli około mikrogramowi, czyli 1019 masie protonu. Przy takiej masie każdy PIDM jest zasadniczo tak ciężki, jak może być cząstka, zanim stanie się miniaturową czarną dziurą. Grupa zasugerowała również, że te cząstki PIDM oddziałują ze zwykłą materią tylko grawitacyjnie i że wiele z nich powstało we wczesnym Wszechświecie w epoce silnego nagrzewania - okresu, który rozpoczął się pod koniec ery inflacyjnej, gdzieś od 10-36 do 10- 33 lub 10-32 sekundy po Wielkim Wybuchu.
Ta era jest nazywana tak, ponieważ uważa się, że podczas inflacji temperatury w kosmosie spadły 100 000 razy. Po zakończeniu inflacji temperatury wróciły do poziomu sprzed inflacji (około 1027 kelwinów). Do tego czasu większość energii potencjalnej pola inflacyjnego rozpadła się na cząstki Modelu Standardowego, który wypełnił Wszechświat, a wśród nich - ciemną materię.
Oczywiście nowa teoria ma swoje konsekwencje dla kosmologów. Na przykład, aby ten model zadziałał, temperatura epoki nagrzewania musiała być wyższa niż obecnie się uważa. Co więcej, cieplejszy okres ogrzewania spowodowałby również wytworzenie większej liczby pierwotnych fal grawitacyjnych, które byłyby odbijane w kosmicznym mikrofalowym tle (CMB).
„Ta wysoka temperatura mówi nam o dwóch interesujących rzeczach o inflacji” - mówi Sandora. - Jeśli ciemna materia to PIDM: po pierwsze, inflacja przebiegała przy bardzo wysokich energiach, co powodowałoby nie tylko fluktuacje temperatury wczesnego Wszechświata, ale także w samej czasoprzestrzeni w postaci fal grawitacyjnych. Po drugie, mówi nam, że energia inflacji powinna była rozpadać się w materię niezwykle szybko, ponieważ gdyby zajęło to dużo czasu, Wszechświat mógł ostygnąć do punktu, po którym nie mógł już w ogóle wytwarzać PIDM.
Istnienie tych fal grawitacyjnych można potwierdzić lub wykluczyć w przyszłych badaniach kosmicznego mikrofalowego tła. Jest to niezwykle ekscytująca wiadomość, ponieważ oczekuje się, że niedawne odkrycie fal grawitacyjnych doprowadzi do ponownych wysiłków w celu wykrycia pierwotnych fal, które są zakorzenione w samym stworzeniu wszechświata.
Jak wyjaśniła Sandora, wszystko to przedstawia naukowcom scenariusz korzystny dla wszystkich, ponieważ najnowszy kandydat na ciemną materię zostanie odkryty lub obalony w najbliższej przyszłości.
„Nasz scenariusz zawiera pewne przewidywania: fale grawitacyjne zobaczymy w następnej generacji eksperymentów z kosmicznym mikrofalowym tłem. Oznacza to, że jest to korzystne dla obu stron: jeśli je widzimy, jest w porządku, a jeśli ich nie widzimy, wtedy będziemy wiedzieć, że ciemna materia nie jest PIDM, co oznacza, że musimy spodziewać się części jej interakcji ze zwykłą materią. Jeśli to wszystko wydarzy się w ciągu najbliższych dziesięciu lat, możemy tylko czekać z niecierpliwością”.
Odkąd Jacobus Kaptein po raz pierwszy zasugerował istnienie ciemnej materii w 1922 roku, naukowcy szukali bezpośrednich dowodów na jej istnienie. Jeden po drugim kandydaci cząstek - od grawitin po aksjony - byli proponowani, filtrowani i pozostawiani w królestwie wiecznych poszukiwań. Cóż, jeśli ten ostatni kandydat zostanie jednoznacznie odrzucony lub potwierdzony, ta opcja już nie jest zła.
W końcu, jeśli się potwierdzi, rozwiążemy jedną z największych kosmologicznych tajemnic wszechczasów. Zbliżmy się o krok do zrozumienia wszechświata i tego, jak jego tajemnicze siły oddziałują na siebie.