Новая теория физиков из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, Национальной ускорительной лаборатории Ферми и Университета Стони Брук, которая будет опубликована в Интернете 18 января в Physical Review Letters, предполагает более короткий вторичный инфляционный период, который может составлять темная материя, по оценкам, существует повсюду в космосе.«В общем, фундаментальная теория природы может объяснить определенные явления, но не всегда может дать вам нужное количество темной материи», — сказал Хуман Давудясл, руководитель группы теории высоких энергий в Брукхейвенской национальной лаборатории и автор статьи. «Если вы обнаружите слишком мало темной материи, вы можете предложить другой источник, но иметь слишком много темной материи — проблема».
Измерение количества темной материи во Вселенной — непростая задача. В конце концов, он темный, поэтому не имеет существенного взаимодействия с обычной материей. Тем не менее гравитационные эффекты темной материи дают ученым хорошее представление о том, сколько ее там.
По самым точным оценкам, она составляет около четверти бюджета массы-энергии Вселенной, в то время как обычная материя, из которой состоят звезды, наша планета и мы, составляет всего 5 процентов. Темная материя является доминирующей формой вещества во Вселенной, что побуждает физиков разрабатывать теории и эксперименты, чтобы исследовать ее свойства и понять, как она возникла.Некоторые теории, которые элегантно объясняют загадочные странности в физике — например, чрезмерную слабость гравитации по сравнению с другими фундаментальными взаимодействиями, такими как электромагнитное, сильное ядерное и слабое ядерное взаимодействия — не могут быть полностью приняты, поскольку они предсказывают больше темной материи, чем эмпирические данные. наблюдения могут поддержать.Эта новая теория решает эту проблему.
Давудясл и его коллеги добавляют ступеньку к общепринятым событиям зарождения пространства и времени.В стандартной космологии экспоненциальное расширение Вселенной, называемое космической инфляцией, началось, возможно, уже через 10-35 секунд после начала времени — это десятичная точка, за которой следуют 34 нуля перед единицей. Это взрывное расширение всего пространства продолжалось. всего лишь доли секунды, что в конечном итоге приводит к горячей Вселенной, за которой следует период охлаждения, который продолжается до наших дней.
Затем, когда возраст Вселенной составлял от нескольких секунд до нескольких минут, то есть достаточно прохладно, началось формирование более легких элементов. Между этими этапами, возможно, были и другие инфляционные перерывы, сказал Давудясл.
«Они не были бы такими грандиозными или жестокими, как первоначальный, но они могли объяснить растворение темной материи», — сказал он.Вначале, когда в относительно небольшом объеме пространства температура взлетела выше миллиардов градусов, частицы темной материи могли сталкиваться друг с другом и аннигилировать при контакте, передавая свою энергию стандартным составляющим частиц материи, таким как электроны и кварки. Но по мере того, как Вселенная продолжала расширяться и остывать, частицы темной материи сталкивались друг с другом гораздо реже, и скорость аннигиляции не могла поспевать за скоростью расширения.«На данный момент в пироге запекается изобилие темной материи», — сказал Давудиасл. «Помните, темная материя взаимодействует очень слабо.
Таким образом, значительная скорость аннигиляции не может сохраняться при более низких температурах. Самоаннигиляция темной материи становится неэффективной довольно рано, и количество частиц темной материи замораживается».Однако чем слабее взаимодействия темной материи, то есть чем менее эффективна аннигиляция, тем выше будет конечное содержание частиц темной материи. Поскольку эксперименты накладывают все более строгие ограничения на силу взаимодействия темной материи, существуют некоторые современные теории, которые в конечном итоге переоценивают количество темной материи во Вселенной.
Чтобы привести теорию в соответствие с наблюдениями, Давудясл и его коллеги предполагают, что произошел еще один инфляционный период, вызванный взаимодействиями в «скрытом секторе» физики. Этот второй, более мягкий период инфляции, характеризующийся быстрым увеличением объема, приведет к уменьшению содержания первичных частиц, потенциально оставив Вселенную с плотностью темной материи, которую мы наблюдаем сегодня.«Это определенно не стандартная космология, но вы должны согласиться с тем, что вселенная не может управляться вещами так, как мы думали», — сказал он. «Но нам не нужно было конструировать что-то сложное.
Мы показываем, как простая модель может достичь такого небольшого количества инфляции в ранней Вселенной, и учитывать количество темной материи, которое, по нашему мнению, существует».Другое дело — доказать теорию.
Давудясл сказал, что может быть способ найти хотя бы самые слабые взаимодействия между скрытым сектором и обычной материей.«Если бы этот вторичный инфляционный период случился, он мог бы характеризоваться энергиями в пределах досягаемости экспериментов на ускорителях, таких как коллайдер релятивистских тяжелых ионов (RHIC) и Большой адронный коллайдер», — сказал он.
Только время покажет, появятся ли признаки скрытого сектора при столкновениях внутри этих коллайдеров или в других экспериментальных установках.