Ученые предложили модель пятого измерения через новую частицу-портал

В физике высоких энергий существует проблема, которую исследователи пытаются решить уже несколько десятилетий: стандартная модель физики частиц, несмотря на всю свою успешность, не может объяснить существование темной материи. В поисках ответа группа ученых из Испании и Германии предложила модель, в которой частицы темной материи обитают в искривленном пятом измерении, а связь между привычным миром и этим скрытым сектором обеспечивает новое скалярное поле. Работа, опубликованная в Европейском физическом журнале в 2021 году, предлагает один из возможных путей решения загадки темной материи.

Иерархия и темная материя: проблемы стандартной модели

Стандартная модель физики частиц, описывающая все известные элементарные частицы и три из четырех фундаментальных взаимодействий, сталкивается с двумя серьезными вопросами, на которые не может дать ответа. Первый из них — проблема иерархии: почему бозон Хиггса настолько легче, чем характерный масштаб гравитации? Второй — существование темной материи, которая составляет подавляющую часть материи во Вселенной, но не вписывается в рамки стандартной модели. Как отмечают авторы исследования, в стандартной модели нет жизнеспособного кандидата на роль частиц темной материи, что требует наличия новой физики за ее пределами.

Модель искривленного пятого измерения

Предложенная модель опирается на физику искривленных дополнительных измерений, восходящую к модели Рэндалл-Сандрума, предложенной в 1999 году. В этой модели пространство-время имеет пять измерений, причем пятое измерение искривлено определенным образом. Фермионы — класс частиц, к которому относятся электроны и кварки — могут распространяться в этом пятимерном искривленном пространстве. Новое скалярное поле выступает в роли портала, смешиваясь с бозоном Хиггса и обеспечивая возможную связь между обычными частицами и скрытым фермионным сектором, где обитают частицы темной материи.

Пятое измерение в этой модели является частью геометрии пространства-времени, а не физической дверью, в которую могут входить частицы. Математика позволяет фермионным частицам существовать в искривленном пространстве дополнительного измерения, в то время как скалярный портал контролирует силу взаимодействия между этим скрытым сектором и бозоном Хиггса, а через него — с уже известными физикам частицами.

Экспериментальная проверка

Модель предлагает несколько способов экспериментальной проверки. Смешивание скалярных полей может изменить связи и вероятности распада бозона Хиггса, включая долю распадов, которые уходят в частицы, невидимые для детекторов. Эксперименты по прямому обнаружению темной материи также могут искать столкновения между частицами темной материи и обычными атомными ядрами.

Данные, полученные в 2026 году в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере, пока не обнаружили отклонений от предсказаний стандартной модели. Анализ CMS, опубликованный в 2026 году, не нашел значительных отклонений в измеренных параметрах бозона Хиггса и ограничил долю невидимых распадов величиной менее 13 процентов. Анализ ATLAS, проведенный в мае 2026 года, также не выявил отклонений от стандартной модели.

Другие модели дополнительных измерений

Исследования темной материи в рамках теорий с дополнительными измерениями продолжаются. В январе 2026 года была опубликована работа, использовавшая гравитонный и радионный порталы в рамках модели Рэндалл-Сандрума для изучения темной материи и дисбаланса между материей и антиматерией. В июле 2026 года появилась работа, предлагающая модель фермионной темной материи, связанной через темный фотон, с предсказаниями для экспериментов по прямому обнаружению и ускорительных поисков.

Хотя ни одна из этих моделей не является доказательством существования дополнительного измерения, все вместе они демонстрируют, насколько широким стало поле исследований. На данный момент прямых экспериментальных подтверждений предложенной модели нет, и данные, полученные на ускорителях, пока согласуются со стандартной моделью без привлечения новой физики. Однако сама возможность связать проблему темной материи с геометрией пространства-времени продолжает оставаться активной областью теоретических исследований, и новые эксперименты могут либо подтвердить, либо опровергнуть эту гипотезу в будущем.

Суть открытия простыми словами

Представьте, что наш мир — это комната. В ней есть все, что мы видим и можем потрогать: столы, стулья, люди. Это — наша Вселенная со всеми известными частицами. Но ученые давно подозревают, что за стеной этой комнаты есть еще одна, невидимая, в которой живет темная материя — загадочное вещество, составляющее большую часть Вселенной, но которое мы не можем увидеть. Проблема в том, что между этими двумя комнатами нет двери, и мы не знаем, как попасть в ту, вторую комнату, чтобы изучить, что там.

Испанские и немецкие физики предложили математическую модель, в которой такая дверь существует. Роль этой двери играет особая частица — новое скалярное поле. Она смешивается с бозоном Хиггса (той самой частицей, которую открыли в 2012 году и которая отвечает за массу всех объектов) и через него может взаимодействовать с частицами в той, скрытой комнате. Сама «дверь» — это искривленное пятое измерение, которое существует прямо здесь, вокруг нас, но мы его не замечаем, потому что оно свернуто и спрятано от наших глаз.

Пока ученые не нашли эту частицу-портал и не подтвердили существование пятого измерения. Но если она действительно существует, то эксперименты на Большом адронном коллайдере, где сталкивают частицы на огромных скоростях, должны заметить, что часть бозонов Хиггса как будто «исчезает» — они распадаются на частицы, которые наши детекторы не видят, потому что те уходят в то самое пятое измерение. Пока таких исчезновений не зафиксировано, но ученые продолжают искать, и каждый новый эксперимент либо приближает нас к открытию, либо заставляет пересматривать теорию.