У Вселенной может быть пятое измерение

Еще в 1920-х годах прошлого века, в попытках объединить силы гравитации и электромагнетизма, Теодор Калуца и Оскар Клейн предположили о существовании дополнительного измерения за пределами привычных трех пространственных измерений и времени – которые в физике объединены в 4-мерное пространство-время. Если оно существует, то такое новое измерение должно быть невероятно крошечным и незаметным для человеческого глаза. В конце 1990-х годов эта идея пережила замечательный ренессанс, когда ученые осознали, что существование пятого измерения может дать ответы на некоторые из фундаментальных вопросов физики элементарных частиц. В частности, Юваль Гроссман из Стэнфордского университета и Маттиас Нойберт, в те годы профессор Корнельского университета, в своем исследовании показали, что внедрение стандартной модели физики элементарных частиц в 5-мерное пространство-время может объяснить интригующие закономерности, наблюдаемые в массах элементарных частиц.

Чем является темная материя?

Считается, что темная материя – это таинственная форма материи, недоступная прямому наблюдению, так как она не участвует в электромагнитном взаимодействии. Темная материя также составляет большую часть массы Вселенной. В начале 1930-х годов радиоастроном Ян Оорт укрепил гипотезу о существовании темной материи обнаружив, что для того, чтобы местная группа галактик двигалась, должно существовать больше материи, чем мы наблюдаем. С тех самых пор темная материя помогает исследователям объяснить как работает гравитация, потому что многие объекты просто растворились бы или развалились без некого «х-фактора» – темной материи. Так как эта таинственная субстанция не разрушает частицы, которые мы видим и «чувствуем», она должна обладать и другими особыми свойствами.

Однако в физике немало проблем и помимо темной материи существует целых спектр вопросов, на которые нет ответа в рамках стандартной модели. «Одним из наиболее значимых примеров является так называемая проблема иерархии, вопрос, почему бозон Хиггса намного легче, чем характерная шкала гравитации. Стандартная модель не может вместить некоторые другие наблюдаемые явления. Одним из наиболее ярких примеров является существование темной материи», – пишут авторы исследования, опубликованного в журнале The European Physical Journal C.

Таинственная темная материя не видима для наблюдения.

Физики из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце, Германия, пришли к выводу, что темная материя могла появиться в результате деятельности фермионов – частиц с полуцелым значением спина. Исследование направлено на то, чтобы объяснить присутствие темной материи с помощью модели WED (models for dark matter). В ходе работы были изучены массы фермионов, которые, по мнению ученых, могут путешествовать в пятое измерение через порталы, создавая темную материю и «фермионную темную материю» в пятом измерении.

Как отметили авторы исследования в беседе с VICE, их первоначальная цель заключалась в том, чтобы «объяснить возможное происхождение масс фермионов в теориях с искаженным дополнительным измерением».

Новая частица, существование которой еще только предстоит доказать, является разновидностью фермиона или субатомной частицы. Физики считают, что эти частицы могут путешествовать через пятое измерение, связывая темную материю со всей наблюдаемой материей во Вселенной. Авторы исследования утверждают, что эта новая частица сможет взаимодействовать с бозоном Хиггса и будет иметь с ним большое сходство. Вот только ее масса будет «тяжелее», так что даже с помощью коллайдера или ускорителя частиц ее нельзя обнаружить.

Как найти частицу пятого измерения?

Обычная материя, как известно, состоит из фермионов. Так что если пятое измерение реально, то фермионы скорее всего в него попадают. И если эти «тяжелые» частицы существуют, то обязательно связывает видимую материю с составляющими темной материи. Изучая 5D-уравнения относительно масс фермионных частиц, физики пришли к выводу о том, что «если эта тяжелая частица существует, то она обязательно будет связывать видимую материю, которую мы знаем и которую мы подробно изучили, с составляющими темной материи, если предположить, что темная материя состоит из фундаментальных фермионов, которые находятся в дополнительном измерении».

Авторы описали частицу как «возможного нового посланника в темный сектор».

Интересно, что с помощью новаторской теории, обилие темной материи в космосе в астрофизических экспериментах можно будет объяснить. «После многих лет поисков возможных подтверждений наших теоретических предсказаний мы теперь уверены, что механизм, который мы обнаружили, сделает темную материю доступной для будущих экспериментов, потому что свойства нового взаимодействия между обычной материей и темной материей – которое опосредуется нашей предложенной частицей – могут быть точно рассчитаны в рамках нашей теории», – пишет Маттиас Нойберт, глава исследовательской группы.

Более того, авторы научной работы полагают, что новая предложенная ими частица может сыграть важную роль в космологической истории Вселенной и даже может быть ответственной за создание гравитационных волн.