Стандартният модел на космологията ни казва, че само 4,9% от Вселената е съставена от обикновена материя (т.е. тази, която можем да видим), докато останалата част се състои от 26,8% тъмна материя и 68,3% тъмна енергия. Както подсказват имената, ние не можем да ги видим, така че съществуването им трябваше да се направи въз основа на теоретични модели, наблюдения на мащабната структура на Вселената и нейните видими гравитационни ефекти върху видимата материя.
Откакто е предложено за първи път, не липсват предложения за това как изглеждат частиците на Dark Matter. Не много отдавна много учени предложиха, че Тъмната материя се състои от слабо взаимодействащи масивни частици (WIMPs), които са около 100 пъти по-големи от масата на протона, но взаимодействат като неутрино. Всички опити за намиране на WIMP, като се използват експерименти с коли, се оказаха празни. Като такива учените напоследък изследват идеята, че тъмната материя може да се състои изцяло от нещо друго.
Настоящите космологични модели са склонни да приемат, че масата на тъмната материя е около 100 Gev (Giga-електроволта), което съответства на мащабния обхват на много други частици, които взаимодействат чрез слаба ядрена сила. Наличието на такава частица би било в съответствие със свръхсиметрични разширения на Стандартния модел на физика на частиците. Освен това се смята, че такива частици биха били произведени в горещата, плътна, ранна Вселена, с плътност на материята, която остава постоянна и до днес.
Въпреки това продължаващите експериментални усилия за откриване на WIMP не успяха да дадат конкретни доказателства за тези частици. Те включват търсене на продуктите на унищожаване на WIMP (т.е. гама-лъчи, неутрино и космически лъчи) в близките галактики и клъстери, както и директни експерименти за откриване с помощта на суперколлайдери, като CERN Large Hadron Collider (LHC) в Швейцария.
Поради това много изследователски екипи започнаха да обмислят да търсят отвъд парадигмата WIMP, за да намерят Dark Matter. Един такъв екип се състои от група космолози от CERN и CP3-Origins в Дания, които наскоро пуснаха проучване, показващо, че Dark Matter може да бъде много по-тежък и много по-малко взаимодействащ, отколкото се смяташе досега.
Както каза д-р Маккулън Сандора, един от членовете на изследователския екип от CP-3 Origins, каза за Space Magazine по имейл:
„Все още не можем да изключим сценария на WIMP, но с всяка изминала година става все по-подозирано, че не сме виждали нищо. В допълнение, обичайната физика в слаб мащаб страда от проблема с йерархията. Ето защо всички частици, за които знаем, са толкова леки, особено по отношение на естествената скала на гравитация, скалата на Планк, която е около 1019 GeV. Така че, ако тъмната материя беше по-близо до скалата на Планк, тя нямаше да бъде засегната от йерархията и това също би обяснило защо не сме виждали подписите, свързани с WIMP. "
Използвайки нов модел, който наричат Planckian Interacting Dark Matter (PIDM), екипът изследва горната граница на масата на тъмната материя. Докато WIMP поставят масата на тъмната материя в горната граница на скалата на електрослабата, датският изследователски екип на Marthias Garny, McCullen Sandora и Martin S. Sloth предложи частица с маса, близка изцяло до друга естествена скала - скалата на Планк.
На скалата на Планк една единица маса е еквивалентна на 2.17645 × 10-8 kg - приблизително микрограм, или 1019 пъти по-голяма от масата на протона. При тази маса всеки PIDM е по същество толкова тежък, колкото може да бъде частица, преди да се превърне в миниатюрна черна дупка. Екипът също така теоретизира, че тези PIDM частици взаимодействат с обикновената материя само чрез гравитация и че голям брой от тях са се образували в много ранната Вселена по време на епохата на „повторното нагряване“ - период, възникнал в края на инфлационната епоха, около 10-36 t0 10-33 или 10-32 секунди след Големия взрив.
Тази епоха е така наречена, защото по време на инфлацията се смята, че космическите температури са спаднали с коефициент 100 000 или повече. Когато инфлацията приключи, температурите се върнаха до предиинфлационната си температура (приблизително 1027 K). В този момент голямата потенциална енергия на инфлационното поле се разпада на частици от Стандартния модел, които изпълват Вселената, която би включила Тъмната материя.
Естествено, тази нова теория идва със своя дял от последиците за космолозите. Например, за да работи този модел, температурата на епохата за повторно нагряване би трябвало да е по-висока, отколкото се предполага в момента. Нещо повече, по-горещият период на повторно нагряване би довел и до създаването на по-първични гравитационни вълни, които биха били видими в космическия микровълнов фон (CMB).
„Наличието на толкова висока температура ни казва две интересни неща за инфлацията“, казва Сандора. „Ако тъмната материя се окаже PIDM: първата е, че инфлацията е станала с много висока енергия, което от своя страна означава, че тя е в състояние да произведе не само колебания в температурата на ранната Вселена, но и в самото космическо време, под формата на гравитационни вълни. Второ, тя ни казва, че енергията на инфлацията трябваше да се разпадне в материята изключително бързо, защото ако отне твърде много време, Вселената щеше да се охлади до точката, в която изобщо не би могла да произведе никакви PIDM. “
Съществуването на тези гравитационни вълни може да бъде потвърдено или изключено от бъдещи проучвания, включващи космически микровълнов фон (CMB). Това е вълнуваща новина, тъй като скорошното откриване на гравитационни вълни се очаква да доведе до подновени опити за откриване на първични вълни, които датират от самото създаване на Вселената.
Както обясни Сандора, това представлява сценарий за печелене на печалба за учените, тъй като това означава, че този последен кандидат за Dark Matter ще може да бъде доказан или опроверган в близко бъдеще.
„[O] ур сценарий прави конкретно предсказване: ще видим гравитационни вълни в следващото поколение експерименти на космически микровълнови фонове. Следователно това е сценарий без загуба: ако ги видим, това е чудесно и ако не ги видим, ще знаем, че тъмната материя не е PIDM, което ще означава, че знаем, че трябва да има някои допълнителни взаимодействия с обикновена материя. И всичко това ще се случи в следващото десетилетие или така, което ни дава много с нетърпение. “
Откакто Якоб Каптейн за първи път предложи съществуването на Тъмната материя през 1922 г., учените търсят някои директни доказателства за нейното съществуване. И една по една, кандидат-частици - вариращи от гравитино и MACHOS до оси - бяха предложени, претеглени и намериха желание. Ако не друго, добре е да знаем, че съществуването на тази последна кандидат-частица може да бъде доказано или изключено в близко бъдеще.
И ако се докаже, че е правилно, ще разрешим една от най-големите космологични мистерии на всички времена! Стъпка по-близо до истинското разбиране на Вселената и как взаимодействат нейните мистериозни сили. Теория на всичко, тук идваме (или не)!
