Новая модель темной материи

Астрофизики считают, что около 80% вещества нашей Вселенной состоит из загадочной «темной материи», которая не может быть воспринята человеческими чувствами или научными приборами.

«Темная материя еще не была обнаружена в лаборатории. Гипотеза ее существования родилась из астрономических наблюдений», — сказал Михаил Медведев, профессор физики и астрономии в Университете штата Канзас.

Проф. Медведев предлагает новую модель темной материи, названную «многокомпонентная темная материя со смешанными ароматами».

«Темная материя является некой неизвестной сущностью, состоящей, скорее всего, из новых элементарных частиц или частиц, выходящих за пределы Стандартной модели, — сказал проф. Медведев. — Она никогда не наблюдалась непосредственно, но проявляет себя посредством гравитации, которую она создает во Вселенной. По всему миру проводятся многочисленные эксперименты, направленные на ее прямое обнаружение».

Теория проф. Медведева опирается на поведение элементарных частиц, которые наблюдались или гипотетических. Согласно сегодняшней распространенной теории Стандартной модели, элементарные частицы — к которым принадлежат кварки, лептоны и калибровочные бозоны — это строительные блоки атомов. Кварки склонны обмениваться своими внутренними квантовыми числами, так называемыми ароматами, потому что они могут соединяться друг с другом, — явление, называемое смешением ароматов.

«В повседневной жизни мы привыкаем к тому, что каждая частица или атом имеет некоторую массу, — сказал проф. Медведев. — Частицы со смешанными ароматами весьма причудливы — они имеют несколько масс одновременно — и это приводит к необычным эффектам».

Проф. Медведев сравнил смешение ароматов с белым светом, который содержит несколько цветов и может генерировать радугу.

«Если бы белый свет был ароматом, то красный, зеленый и синий имели бы разные массы, а их смешение создало бы белый свет, — пояснил он. — Изменяя пропорции красного, зеленого и синего в смеси, можно создавать разные цвета или ароматы, отличные от белого».

«Ранее мы обнаружили, что частицы со смешанными ароматами могут проявлять эффект квантового испарения из гравитационного колодца, если их «потрясти», то есть, столкнуть с другой частицей», — сказал проф. Медведев. Он включил процесс физики квантового испарения в «космологический цифровой код» и выполнил моделирование с использованием суперкомпьютеров.

«Для каждого моделирования используется свыше 1000 ядер и машинное время в течение недели или около того», — сказал он. Проф. Медведев заявил, что темная материя может взаимодействовать с обычным веществом крайне слабо, и именно поэтому она пока не обнаружена в многочисленных прямых экспериментах, ведущихся по всему миру. Поэтому физики разработали действующую модель полностью невзаимодействующей холодной (то есть, с очень низкими тепловыми скоростями) темной материи с космологической постоянной Λ (плотность энергии в пустоте космического пространства), которую они называют «модель Lambda-Cold Dark Matter».

Но эта модель не всегда соответствовала данным наблюдений, пока статья проф. Медведева не решила эту давнюю головоломку в теории.
«Наши результаты показали, что двухкомпонентная модель темной материи со смешанными ароматами решает все наиболее актуальные проблемы теории Lambda-CDM одновременно», — сказал ученый.

На верхнем фото, опубликованном в Physics Review Letters, представлено распределение темной материи во Вселенной, полученное в рамках парадигмы двухкомпонентной ароматической смеси темной материи. Нижняя фотография, опубликованная в предыдущей статье, представляет собой эффект квантового испарения (волнистые оранжевые и синие лучи)