Новая теория предполагает, что темная материя может быть внепространственным космическим беженцем

Темная материя, неуловимое вещество, составляющее большую часть массы Вселенной, может состоять из массивных частиц, называемых гравитонами, которые появились в первый момент после Большого взрыва.

И эти гипотетические частицы могут быть космическими беженцами из дополнительных измерений, предполагает новая теория. 

Расчеты исследователей намекают на то, что эти частицы могли быть созданы в нужном количестве для объяснения темной материи, которую можно "увидеть" только через ее гравитационное притяжение к обычной материи.

"Массивные гравитоны образуются в результате столкновений обычных частиц в ранней Вселенной.

Считалось, что этот процесс происходит слишком редко, чтобы массивные гравитоны могли быть кандидатами в темную материю", - сказал Live Science соавтор исследования Джакомо Каччапалья, физик из Лионского университета во Франции.

Но в новом исследовании, опубликованном в феврале в журнале Physical Review Letters, Каччапалья вместе с физиками из Корейского университета Хайин Каем и Сын Дж. Ли обнаружили, что в ранней Вселенной было создано достаточно таких гравитонов, чтобы объяснить всю темную материю, которую мы сейчас обнаруживаем во Вселенной.

Гравитоны, если они существуют, имели бы массу менее 1 мегаэлектронвольта (МэВ), то есть не более чем в два раза больше массы электрона, говорится в исследовании.

Этот уровень массы намного ниже масштаба, на котором бозон Хиггса создает массу для обычной материи - что является ключевым для модели, позволяющей создать достаточное их количество, чтобы объяснить всю темную материю во Вселенной. (Для сравнения, самая легкая из известных частиц, нейтрино, весит менее 2 электронвольт, а масса протона составляет примерно 940 МэВ, согласно данным Национального института стандартов и технологий).

Команда обнаружила эти гипотетические гравитоны во время поиска доказательств существования дополнительных измерений, которые, по мнению некоторых физиков, существуют наряду с наблюдаемыми тремя измерениями пространства и четвертым измерением - временем.

Согласно теории команды, когда гравитация распространяется через дополнительные измерения, она материализуется в нашей Вселенной в виде массивных гравитонов. 

Но эти частицы будут слабо взаимодействовать с обычной материей и только через силу гравитации.

Это описание до жути похоже на то, что мы знаем о темной материи, которая не взаимодействует со светом, но оказывает гравитационное влияние, ощущаемое повсюду во Вселенной. Это гравитационное влияние, например, не позволяет галактикам разлетаться в разные стороны.

"Главное преимущество массивных гравитонов как частиц темной материи заключается в том, что они взаимодействуют только гравитационно, поэтому они могут избежать попыток обнаружить их присутствие", - сказал Каччапалья.

В отличие от них, другие предложенные кандидаты в темную материю - такие как слабо взаимодействующие массивные частицы, аксионы и нейтрино - также могут быть ощутимы благодаря их очень тонкому взаимодействию с другими силами и полями.

Тот факт, что массивные гравитоны почти не взаимодействуют через гравитацию с другими частицами и силами во Вселенной, дает еще одно преимущество.

"Благодаря очень слабому взаимодействию они распадаются настолько медленно, что остаются стабильными на протяжении всей жизни Вселенной", - сказал Каччапалья, - "По этой же причине они медленно образуются во время расширения Вселенной и накапливаются там до сегодняшнего дня".

В прошлом физики считали гравитоны маловероятными кандидатами в темную материю, поскольку процессы, которые их создают, крайне редки. В результате гравитоны будут создаваться с гораздо меньшей скоростью, чем другие частицы.

Но команда обнаружила, что в пикосекунду (триллионную долю секунды) после Большого взрыва было создано больше гравитонов, чем предполагали прошлые теории.

Этого усиления было достаточно, чтобы массивные гравитоны полностью объяснили количество темной материи, которую мы обнаруживаем во Вселенной, говорится в исследовании. 

"Усиление действительно стало шоком", - сказал Каччапалья. "Нам пришлось провести множество проверок, чтобы убедиться в правильности результата, поскольку это приводит к смене парадигмы в том, как мы рассматриваем массивные гравитоны в качестве потенциальных кандидатов на темную материю".

Поскольку массивные гравитоны формируются ниже энергетической шкалы бозона Хиггса, они свободны от неопределенностей, связанных с более высокими энергетическими шкалами, которые нынешняя физика частиц описывает не очень хорошо.

Теория команды связывает физику, изучаемую на ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер, с физикой гравитации.

Это означает, что мощные ускорители частиц, такие как Будущий циркулярный коллайдер в ЦЕРНе, который должен начать работать в 2035 году, могут искать доказательства существования этих потенциальных частиц темной материи.

"Вероятно, лучший шанс у нас есть на будущих высокоточных коллайдерах частиц", - сказал Каччиапалья. "Это то, что мы сейчас исследуем".