A kozmológia standard modellje szerint a világegyetemnek csak 4,9% -a alkot rendes anyagot (azaz azt, amit láthatunk), míg a fennmaradó rész 26,8% sötét anyagot és 68,3% sötét energiát tartalmaz. Ahogy a neveink sugallják, nem látjuk őket, tehát létezésüket elméleti modellek, az univerzum nagy léptékű felépítésének megfigyelései, valamint a látható anyag látható gravitációs hatásainak alapján kellett levezetni.
Az első javaslat óta nem volt hiányos javaslat arról, hogy miként néznek ki a sötét anyag részecskék. Nemrégiben sok tudós javasolta, hogy a Sötét Anyag gyengén interakciós masszív részecskékből (WIMP) álljon, amelyek körülbelül százszorosa a proton tömegének, de kölcsönhatásba lépnek, mint a neutrinók. Azonban minden kísérlet az ütközőkkel végzett kísérletekkel való WIMP-ek megtalálására üres. Mint ilyen, a tudósok az utóbbi időben kutatják azt a gondolatot, hogy a sötét anyag teljes egészében valami másból állhat.
A jelenlegi kozmológiai modellek általában azt feltételezik, hogy a sötét anyag tömege körülbelül 100 Gev (gigaelektróvolta), ami megegyezik a többi részecske tömegének skálájával, amelyek gyenge nukleáris erő révén kölcsönhatásba lépnek. Egy ilyen részecske létezése összhangban lenne a részecskefizika standard modelljének szuperszimmetrikus kiterjesztéseivel. Úgy véljük továbbá, hogy az ilyen részecskék a forró, sűrű, korai univerzumban keletkeztek volna, egy olyan anyagtömeg-sűrűséggel, amely a mai napig változatlan marad.
A WIMP-k felderítésére irányuló folyamatos kísérleti erőfeszítések azonban nem hoztak konkrét bizonyítékot ezekre a részecskékre. Ezek között szerepel a WIMP megsemmisítésének termékeinek (azaz gamma-sugarak, neutrinók és kozmikus sugarak) keresése a közeli galaxisokban és klaszterekben, valamint közvetlen észlelési kísérletek szuperkoliderek segítségével, például a CERN nagy hadron-ütköző (LHC) Svájcban.
Emiatt sok kutatócsoport elkezdte fontolóra venni a WIMP paradigmáján túl a sötét anyag megtalálását. Az egyik ilyen csoport a dán CERN és a CP3-Origins kozmológusok csoportjából áll, akik nemrégiben kiadtak egy tanulmányt, amelyben azt jelezték, hogy a Dark Matter sokkal nehezebb és sokkal kevésbé kölcsönhatásba léphet, mint korábban gondoltuk.
Ahogy Dr. McCullen Sandora, a CP-3 Origins kutatócsoport egyik tagja, e-mailben mondta a Space Magazine-nak:
„Még nem zárhatjuk ki a WIMP forgatókönyvet, de az év múlásával egyre inkább azt gyanítják, hogy nem láttak semmit. Ezenkívül a szokásos gyenge léptékű fizika szenved a hierarchia problémájától. Vagyis az összes ismert részecske olyan könnyű, különös tekintettel a természetes gravitációs skálára, a Planck-skálara, amely körülbelül 1019 GeV. Tehát, ha a sötét anyag közelebb állna a Planck-skálához, azt nem sújtja a hierarchiaprobléma, és ez magyarázza azt is, hogy miért nem láttuk a WIMP-kkel kapcsolatos aláírásokat. "
Egy új modell segítségével, amelyet Planckian Interacting Dark Matter-nek (PIDM) hívnak, a csapat feltárja a sötét anyag tömegének felső határát. Míg a WIMP-k a sötét anyag tömegét az elektromos áramlási skála felső határába helyezik, Marthias Garny, McCullen Sandora és Martin S. Sloth dán kutatócsoportja egy olyan részecskét javasolt, amelynek tömege teljes egészében egy másik természetes skála - a Planck-skála - közelében van.
A Planck-skálán egyetlen tömeg egység felel meg 2,17645 × 10-nek-8 kg - nagyjából mikrogramm, vagy 1019 -szor nagyobb, mint a proton tömege. Ezen a tömegnél minden PIDM lényegében annyira nehéz, mint egy részecske, mielőtt miniatűr fekete lyukká válna. A csoport azt is elméli, hogy ezek a PIDM-részecskék csak a gravitáció révén lépnek kölcsönhatásba a rendes anyaggal, és hogy nagy számban alakultak ki a nagyon korai univerzumban a „melegítés” korszak alatt - egy olyan időszakban, amely az inflációs korszak végén történt, mintegy 10-36 t0 10-33 vagy 10-32 másodperccel a Big Bang után.
Ezt a korszakot úgynevezik, mert az infláció során úgy gondolják, hogy a kozmikus hőmérsékletek körülbelül 100 000-es tényezővel csökkentek. Amikor az infláció véget ért, a hőmérsékletek visszatértek az infláció előtti hőmérsékletre (becsült 10 ° C)27 K). Ezen a ponton az inflációs mező nagy potenciális energiája a Model Model részecskékre bomlott, amelyek megtöltötték az Univerzumot, és amelyekbe beletartozhatott a Sötét Anyag.
Ez az új elmélet természetesen azzal jár, hogy megosztja a kozmológusokat. Például ahhoz, hogy ez a modell működjön, az újramelegítési korszak hőmérsékletének magasabbnak kellett volna lennie, mint ahogy jelenleg feltételezik. Ráadásul egy melegebb melegítési periódus primer primer gravitációs hullámok létrehozását is eredményezné, amelyek láthatóak lennének a Kozmikus Mikrohullámú Háttérben (CMB).
"Ha ilyen magas hőmérséklet van, két érdekes dolgot mond nekünk az inflációról" - mondja Sandora. „Ha a sötét anyag PIDM-nek bizonyul: az első az, hogy az infláció nagyon magas energiával történt, ami viszont azt jelenti, hogy nemcsak a korai világegyetem hőmérséklete ingadozásait képes előidézni, hanem maga az űridő is, gravitációs hullámok formájában. Másodszor, azt mondja nekünk, hogy az infláció energiájának rendkívül gyorsan anyaggá kellett bomlani, mert ha túl sokáig tartott volna, akkor az univerzum annyira lehűlt volna, hogy egyáltalán nem lett volna képes PIDM-et előállítani. ”
Ezen gravitációs hullámok fennállását a kozmikus mikrohullámú háttérrel (CMB) kapcsolatos jövőbeni vizsgálatok is megerősíthetik vagy kizárhatják. Ez izgalmas hír, mivel a gravitációs hullámok közelmúltbeli felfedezése várhatóan megismételt kísérletekhez vezet az elsődleges hullámok felfedezéséhez, amelyek az Univerzum teremtéséig nyúlnak vissza.
Mint Sandora kifejtette, ez a tudósok számára hasznos lehet, ha azt jelenti, hogy a Sötét Anyag legújabb jelöltje a közeljövőben képes lesz bizonyítani vagy tagadni.
„Az [ur] forgatókönyv konkrét előrejelzést tesz: gravitációs hullámokat fogunk látni a kozmikus mikrohullámú háttér-kísérletek következő generációjában. Ezért ez egy veszteségmentes forgatókönyv: ha látjuk őket, az remek, és ha nem látjuk őket, akkor tudjuk, hogy a sötét anyag nem PIDM, ami azt jelenti, hogy tudjuk, hogy további interakciókkal kell rendelkeznie. rendes anyaggal. És mindez körülbelül a következő évtizedben megtörténik, ami rengeteg várakozási lehetőséget kínál számunkra. ”
Mióta Jacobus Kapteyn 1922-ben először javasolta a sötét anyag létezését, a tudósok közvetlen bizonyítékokat keresnek annak létezésére. És egyenként a jelölt részecskéket - a gravitinosól és a MACHOS-tól az axiókig terjedve - javasolták, lemérték és megtaláltak vágyat. Ha semmi más, akkor jó tudni, hogy a legújabb jelölt részecske léte a közeljövőben bebizonyítható vagy kizárható.
És ha igazoljuk, hogy helyes, akkor megoldjuk minden idők egyik legnagyobb kozmológiai rejtélyét! Egy lépéssel közelebb kerülünk az univerzum valódi megértéséhez és annak titokzatos erőinek kölcsönhatásához. Minden elmélete, itt jönünk (vagy sem)!
