Standardowy model kosmologii mówi nam, że tylko 4,9% Wszechświata składa się ze zwykłej materii (tj. Tej, którą widzimy), podczas gdy reszta składa się z 26,8% ciemnej materii i 68,3% ciemnej energii. Jak sugerują nazwy, nie możemy ich zobaczyć, więc ich istnienie trzeba było wywnioskować na podstawie modeli teoretycznych, obserwacji wielkoskalowej struktury Wszechświata i jego pozornych efektów grawitacyjnych na widzialną materię.
Od czasu pierwszej propozycji nie brakowało sugestii dotyczących wyglądu cząstek Ciemnej Materii. Nie tak dawno temu wielu naukowców sugerowało, że Ciemna Materia składa się ze słabo oddziałujących masywnych cząstek (WIMP), które są około 100 razy większe od masy protonu, ale oddziałują jak neutrina. Jednak wszystkie próby znalezienia WIMP przy użyciu eksperymentów z zderzakami były puste. W związku z tym naukowcy badają ostatnio pomysł, że ciemna materia może składać się z czegoś zupełnie innego.
Obecne modele kosmologiczne zakładają, że masa ciemnej materii wynosi około 100 Gev (elektrolity Giga), co odpowiada skali masowej wielu innych cząstek, które oddziałują na siebie przez słabą siłę jądrową. Istnienie takiej cząstki byłoby zgodne z supersymetrycznymi rozszerzeniami standardowego modelu fizyki cząstek. Uważa się ponadto, że takie cząstki powstałyby w gorącym, gęstym, wczesnym Wszechświecie o gęstości masy materii, która pozostała stała do dziś.
Jednak trwające próby eksperymentalne mające na celu wykrycie WIMP nie przyniosły żadnych konkretnych dowodów na istnienie tych cząstek. Obejmują one poszukiwanie produktów anihilacji WIMP (tj. Promieni gamma, neutrin i promieni kosmicznych) w pobliskich galaktykach i gromadach, a także eksperymenty z bezpośrednim wykrywaniem z wykorzystaniem superkoligerów, takich jak CERN Large Hadron Collider (LHC) w Szwajcarii.
Z tego powodu wiele zespołów badaczy zaczęło rozważać wyjście poza paradygmat WIMP w celu znalezienia Mrocznej Materii. Jeden z takich zespołów składa się z grupy kosmologów z CERN i CP3-Origins w Danii, którzy niedawno opublikowali badanie wskazujące, że Ciemna Materia może być znacznie cięższa i znacznie mniej oddziałująca niż wcześniej sądzono.
Jak dr McCullen Sandora, jeden z członków zespołu badawczego z CP-3 Origins, powiedział Space Magazine pocztą elektroniczną:
„Nie możemy jeszcze wykluczyć scenariusza WIMP, ale z każdym rokiem coraz bardziej podejrzewamy, że nic nie widzieliśmy. Ponadto zwykła fizyka słabej skali cierpi na problem z hierarchią. To dlatego wszystkie znane nam cząstki są tak lekkie, szczególnie w odniesieniu do naturalnej skali grawitacji, skali Plancka, która wynosi około 1019 GeV. Gdyby ciemna materia znajdowała się bliżej skali Plancka, problem hierarchii nie dotknąłby jej, co wyjaśniałoby również, dlaczego nie widzieliśmy sygnatur powiązanych z WIMP ”.
Korzystając z nowego modelu, który nazywają Planckian Interacting Dark Matter (PIDM), zespół badał górną granicę masy ciemnej materii. Podczas gdy WIMP umieszczają masę ciemnej materii w górnej granicy skali elektro-słabej, duński zespół badawczy Marthias Garny, McCullen Sandora i Martin S. Sloth zaproponował cząsteczkę o masie zbliżonej do zupełnie innej skali naturalnej - Skali Plancka.
W skali Plancka pojedyncza jednostka masy odpowiada 2.17645 × 10-8 kg - około mikrograma lub 1019 razy większa niż masa protonu. Przy tej masie każdy PIDM jest zasadniczo tak ciężki, jak cząstka może być zanim stanie się miniaturową czarną dziurą. Zespół teoretyzuje również, że te cząsteczki PIDM oddziałują ze zwykłą materią tylko poprzez grawitację i że ich duża liczba powstaje we wczesnym Wszechświecie podczas epoki „przegrzania” - okresu, który miał miejsce pod koniec Epoki inflacyjnej, około 10-36 t0 10-33 lub 10-32 sekund po Wielkim Wybuchu.
Jest to tak zwana epoka, ponieważ uważa się, że podczas inflacji temperatury kosmiczne spadły około 100 000 razy. Po zakończeniu inflacji temperatury powróciły do temperatury sprzed inflacji (szacunkowo 1027 K). W tym momencie duża energia potencjalna pola inflacji rozpadła się na cząstki Modelu Standardowego, które wypełniły Wszechświat, w tym Ciemną Materię.
Oczywiście, ta nowa teoria ma swoje implikacje dla kosmologów. Na przykład, aby ten model działał, temperatura epoki podgrzewania musiałaby być wyższa niż obecnie zakłada się. Co więcej, cieplejszy okres podgrzewania spowodowałby również powstanie pierwotnych fal grawitacyjnych, które byłyby widoczne w Kosmicznym Mikrofalowym Tle (CMB).
„Posiadanie tak wysokiej temperatury mówi nam dwie interesujące rzeczy o inflacji” - mówi Sandora. „Jeśli ciemna materia okaże się PIDM: po pierwsze, inflacja nastąpiła przy bardzo wysokiej energii, co z kolei oznacza, że była ona w stanie wytworzyć nie tylko wahania temperatury wczesnego wszechświata, ale także w samej czasoprzestrzeni, w postaci fal grawitacyjnych. Po drugie, mówi nam, że energia inflacji musiała gwałtownie rozpaść się w materię, ponieważ gdyby zajęło to zbyt dużo czasu, wszechświat ochłodziłby się do punktu, w którym nie byłby w stanie wytworzyć żadnego PIDM ”.
Istnienie tych fal grawitacyjnych można potwierdzić lub wykluczyć w przyszłych badaniach z udziałem kosmicznego mikrofalowego tła (CMB). To ekscytująca wiadomość, ponieważ oczekuje się, że niedawne odkrycie fal grawitacyjnych doprowadzi do ponownych prób wykrycia fal pierwotnych, które sięgają samego stworzenia Wszechświata.
Jak wyjaśniła Sandora, przedstawia to korzystny scenariusz dla naukowców, ponieważ oznacza to, że ten najnowszy kandydat do Dark Matter będzie w stanie udowodnić lub obalić w najbliższej przyszłości.
„[O] nasz scenariusz zawiera konkretną prognozę: fale grawitacyjne zobaczymy w następnej generacji kosmicznych eksperymentów mikrofalowych w tle. Dlatego jest to scenariusz „nie przegraj”: jeśli je zobaczymy, to świetnie, a jeśli ich nie zobaczymy, będziemy wiedzieć, że ciemna materia nie jest PIDM, co oznacza, że wiemy, że musi ona mieć dodatkowe interakcje zwykłą materią. A wszystko to wydarzy się w ciągu najbliższej dekady, co daje nam wiele do zobaczenia. ”
Odkąd Jacobus Kapteyn po raz pierwszy zaproponował istnienie Ciemnej Materii w 1922 roku, naukowcy szukają bezpośrednich dowodów na jej istnienie. I jeden po drugim kandydujące cząstki - od grawitinów i MACHOSÓW po osie - zostały zaproponowane, zważone i okazały się niedostateczne. Jeśli nic więcej, dobrze wiedzieć, że istnienie tej ostatniej kandydującej cząsteczki można udowodnić lub wykluczyć w najbliższej przyszłości.
A jeśli okaże się to prawdą, rozwiążemy jedną z największych kosmologicznych tajemnic wszechczasów! Krok bliżej do prawdziwego zrozumienia Wszechświata i sposobu interakcji jego tajemniczych sił. Teoria wszystkiego, nadchodzimy (lub nie)!
