Две нови проучвания на проф. Стефано Профумо от Калифорнийския университет в Санта Круз разглеждат различни начини, по които може да се е образувала тъмната материя. Тъмната материя е една от най-големите загадки в науката. Тя съставлява около 80% от цялата материя във Вселената, а нейната гравитация обяснява защо галактиките се държат заедно и се въртят по начина, по който го правят. Наблюденията на мащабната структура на Вселената и космическия микровълнов фон също сочат към нейното съществуване. Но никой не знае какъв вид частица е тя или как е възникнала.

Изследването на Профумо разглежда идеята, че тъмната материя може да се е образувала естествено в много ранната вселена, вместо да е напълно нов тип частица, която взаимодейства с нормалната материя по начини, които можем да открием.

Най-новата му статия се фокусира върху т.нар. "скрит сектор" – нещо като огледална версия на нашата вселена със свои собствени частици и сили, които не можем да видим, но които следват сходни физични закони. Идеята се основава на квантовата хромодинамика (QCD) – теорията, която обяснява как кварките са свързани в протоните и неутроните чрез силна ядрена сила. В този скрит сектор може да съществува подобна „тъмна QCD“ с тъмни глюони (бозони, които са носители на силните взаимодействия на цветните заряди), които образуват тежки частици, наречени тъмни бариони.

Изследването моделира това, използвайки ограничаващи SU(N) калибрирани теории в границата на голямо N. То установява, че докато лепилните топки и мезоните в такъв сектор не могат да образуват черни дупки при реалистични условия, тъмните бариони могат. За определени диапазони на скалата на ограничаване, масите на кварките, броя на цветовете N и температурата на тъмния сектор, тези тъмни бариони могат да колапсират в леки черни дупки с маси до няколкостотин пъти по-големи от масата на Планк. Ако тези реликви са стабилни, тяхното изобилие – както от директно образуване при ограничаване, така и от анихилиране на тъмни глюболи и мезони – би било експоненциално потиснато с увеличаването на N. Това води до горна граница от около N ≤ 100 за модели, в които такива реликви съставляват цялата тъмна материя. Статията също така очертава пространството на параметрите, в което това би могло да се случи.

Другата статия на Профумо разглежда дали тъмната материя би могла да бъде създадена от края на вселената или „космическия хоризонт” по време на кратък период на ускорено разширяване след свиването. Това разширяване би било по-малко екстремно от свиването, но все пак по-бързо от това, което би позволило само радиацията или материята.

Анализът се основава на три предположения: първо, че фазата е била обусловена от флуид с уравнение на състоянието P = wρ; второ, че космическият хоризонт в тази квази-"де Ситер вселена" е имал температура, обратно пропорционална на неговия размер; и трето, че наблюдателите са статични (тук w е между −1 и −1/3).

Вселената на де Ситер е космологично решение на уравненията на Айнщайн за общата относителност, кръстено на името на Вилем де Ситер. Тя моделира вселената като пространствено плоска и пренебрегва обикновената материя, така че динамиката на вселената се доминира от космологичната константа, за която се смята, че съответства на тъмната енергия в нашата вселена или на инфлационното поле в ранната вселена.

При тези условия проучването изчислява замразената плътност на стабилна частица с маса m, произведена от космическия хоризонт, като приема, че тя не претърпява процеси на промяна на броя по-късно. В зависимост от уравнението на състоянието и температурата, когато е започнало доминирането на радиацията и е приключила квази-де Ситер фазата, масата на тъмната материя от този процес може да варира от около 10 keV до почти Планковата скала.

„И двата механизма са силно спекулативни, но предлагат самостоятелни и изчислими сценарии, които не разчитат на конвенционалните модели на тъмна материя от частици, които са под все по-голям натиск от нулевите експериментални резултати“, казва Профумо.

Снимка: Unsplash

Виж още: Критично от високо: Поглед от космоса показва разминавания в годишния цикъл на сезоните на Земята