Standarta kosmoloģijas modelis stāsta, ka tikai 4,9% Visuma sastāv no parastās matērijas (t.i., tā, ko mēs varam redzēt), bet pārējo veido 26,8% tumšās matērijas un 68,3% tumšās enerģijas. Kā norāda nosaukumi, mēs tos nevaram redzēt, tāpēc to esamība bija jānovērtē, balstoties uz teorētiskiem modeļiem, Visuma plaša mēroga struktūras novērojumiem un tā acīmredzamo gravitācijas ietekmi uz redzamo vielu.
Kopš tā pirmā ierosinājuma nav bijis neviena ierosinājuma par to, kā izskatās tumšās vielas daļiņas. Ne tik sen, daudzi zinātnieki ierosināja, ka Dark Matter sastāv no vāji mijiedarbīgām masīvajām daļiņām (WIMP), kuras apmēram 100 reizes pārsniedz protona masu, bet mijiedarbojas kā neitrīni. Tomēr visi mēģinājumi atrast WIMP, izmantojot sadursmju eksperimentus, ir parādījušies tukši. Kā tādi zinātnieki pēdējā laikā pēta ideju, ka tumšo matēriju var pilnībā veidot kaut kas cits.
Pašreizējie kosmoloģiskie modeļi mēdz pieņemt, ka tumšās vielas masa ir ap 100 Gev (giga-elektrovolti), kas atbilst daudzu citu daļiņu masas skalai, kuras mijiedarbojas ar vāju kodolieroču spēku. Šādas daļiņas esamība būtu atbilstoša daļiņu fizikas standarta modeļa supersimetriskajiem paplašinājumiem. Turklāt tiek uzskatīts, ka šādas daļiņas būtu radušās karstajā, blīvajā, agrīnajā Visumā ar vielas masas blīvumu, kas saglabājies nemainīgs līdz šai dienai.
Tomēr pašreizējie eksperimentālie centieni WIMP noteikšanai nav snieguši konkrētus pierādījumus par šīm daļiņām. Tie ietver WIMP iznīcināšanas produktu (t.i., gamma staru, neitrīno un kosmisko staru) meklēšanu tuvējās galaktikās un kopās, kā arī tiešās noteikšanas eksperimentus, izmantojot superkoliderus, piemēram, CERN lielo hadronu sadursmes ierīci (LHC) Šveicē.
Šī iemesla dēļ daudzas pētnieku grupas ir sākušas apsvērt iespēju meklēt ārpus WIMP paradigmas, lai atrastu Dark Matter. Vienā no šādām komandām ir Dānijas CERN un CP3-Origins kosmologu grupa, kas nesen publiskoja pētījumu, kurā norādīts, ka Dark Matter varētu būt daudz smagāks un daudz mazāk mijiedarbīgs, nekā tika domāts iepriekš.
Kā Dr. Makkulēns Sandora, viens no pētījumu grupas dalībniekiem no CP-3 Origins, pa e-pastu stāstīja Space Magazine:
“Pagaidām mēs nevaram izslēgt WIMP scenāriju, taču ar katru gadu aizvien vairāk rodas aizdomas, ka mēs neko neesam redzējuši. Turklāt parastā vājā mēroga fizika cieš no hierarhijas problēmas. Tas ir, kāpēc visas daļiņas, par kurām mēs zinām, ir tik vieglas, it īpaši attiecībā uz dabisko smaguma mērogu, Planka skalu, kas ir apmēram 1019 GeV. Tātad, ja tumšā matērija būtu tuvāk Planka skalai, to necietītu hierarhijas problēma, un tas arī izskaidrotu, kāpēc mēs neesam redzējuši parakstus, kas saistīti ar WIMP. ”
Izmantojot jaunu modeli, ko viņi sauc par Planckian Interacting Dark Matter (PIDM), komanda ir izpētījusi tumšās vielas masas augšējo robežu. Kamēr WIMP tumšās vielas masu novieto pie elektriskā vājuma skalas augšējās robežas, Dānijas Martijas Garnijas, Makkulēna Sandora un Martina S. Slota pētījumu grupa ierosināja daļiņu ar masu netālu no citas dabiskās skalas - Planckas skalas.
Planckas skalā viena masas vienība ir ekvivalenta 2,17645 × 10-8 kg - aptuveni mikrograms vai 1019 reizes lielāks par protona masu. Šajā masā katrs PIDM būtībā ir tik smags, cik daļiņa var būt, pirms tas kļūst par miniatūru melno caurumu. Komanda arī teorē, ka šīs PIDM daļiņas mijiedarbojas ar parasto matēriju tikai ar gravitācijas palīdzību un ka liels to skaits veidojas ļoti agrīnā Visumā “sildīšanas” laika posmā - periodā, kas notika inflācijas laikmeta beigās, apmēram 10-36 t0 10-33 vai 10-32 sekundes pēc Lielā sprādziena.
Šis laikmets ir tā saucamais, jo tiek uzskatīts, ka inflācijas laikā kosmiskā temperatūra ir pazeminājusies par aptuveni 100 000 koeficientu. Kad inflācija beidzās, temperatūra atgriezās iepriekšējā pirmsinflācijas temperatūrā (aptuveni 10 ° C)27 K). Šajā brīdī lielā inflācijas lauka potenciālā enerģija sadalījās Standarta modeļa daļiņās, kas piepildīja Visumu, kurā būtu iekļauta tumšā matērija.
Protams, šī jaunā teorija nāk ar daļu no ietekmes uz kosmologiem. Piemēram, lai šis modelis darbotos, sildīšanas laikmeta temperatūrai būtu jābūt augstākai nekā pašlaik tiek pieņemts. Turklāt karstāks sildīšanas periods radītu vairāk pirmatnējus gravitācijas viļņus, kas būtu redzami kosmiskajā mikroviļņu fona (CMB).
“Tik augsta temperatūra pasaka divas interesantas lietas par inflāciju,” saka Sandora. “Ja tumšā matērija izrādās PIDM: pirmais ir tas, ka inflācija notika ar ļoti lielu enerģiju, kas savukārt nozīmē, ka tā spēja radīt ne tikai agrīnā Visuma temperatūras svārstības, bet arī pašu kosmosa laiku, gravitācijas viļņu formā. Otrkārt, tas mums saka, ka inflācijas enerģijai ārkārtīgi ātri vajadzēja sadalīties matērijā, jo, ja tas būtu pagājis pārāk ilgi, Visums būtu atdzisis līdz vietai, kur tas vispār nebūtu varējis radīt PIDM. ”
Šo gravitācijas viļņu esamību varētu apstiprināt vai izslēgt turpmākajos pētījumos, kas saistīti ar kosmisko mikroviļņu fonu (CMB). Šīs ir aizraujošas ziņas, jo sagaidāms, ka nesenais gravitācijas viļņu atklājums novedīs pie atkārtotiem mēģinājumiem atklāt pirmatnējos viļņus, kas datēti ar pašu Visuma radīšanu.
Kā paskaidroja Sandora, tas zinātniekiem rada abpusēji izdevīgu scenāriju, jo tas nozīmē, ka šo jaunāko Dark Matter kandidātu tuvākajā laikā varēs pierādīt vai noraidīt.
“[O] ur scenārijs sniedz konkrētu prognozi: nākamās paaudzes kosmisko mikroviļņu fona eksperimentu laikā mēs redzēsim gravitācijas viļņus. Tāpēc tas ir scenārijs, kurā nezaudējam: ja mēs tos redzam, tas ir lieliski, un, ja mēs tos neredzam, mēs zinām, ka tumšā matērija nav PIDM, kas nozīmē, ka mēs zinām, ka tai ir jābūt papildu mijiedarbībai. ar parasto lietu. Un tas viss notiks tuvākajā desmitgadē, kas mums dod daudz ko gaidīt. ”
Kopš Jēkabs Kapteins 1922. gadā pirmo reizi ierosināja Dark Matter eksistenci, zinātnieki ir meklējuši dažus tiešus pierādījumus par tā esamību. Un pa vienam ir ierosinātas, nosvērtas un atzītas gribētājdaļiņas - sākot no gravitinos un MACHOS līdz aksioniem. Ja nekas cits, ir labi zināt, ka šīs jaunākās kandidāta daļiņas esamību tuvākajā laikā var pierādīt vai izslēgt.
Un, ja tiks pierādīts, ka tas ir pareizs, mēs būsim atrisinājuši visu laiku lielāko kosmoloģisko noslēpumu! Solis tuvāk patiesai izpratnei par Visumu un par tā noslēpumaino spēku mijiedarbību. Visu teorija, šeit mēs nākam (vai ne)!
