- 27,545
- 46
- 8 Ноя 2022
Теперь учёные из МИФИ ищут не одну частицу, а целую невидимую таблицу Менделеева
Астрофизики много лет пытаются объяснить одну из главных загадок космоса: галактики вращаются слишком быстро для видимой массы. Если учитывать только звезды, газ и пыль, гравитации не хватает, чтобы удерживать галактики в наблюдаемом виде. Значит, во Вселенной должна существовать дополнительная невидимая масса. Такую массу называют темной материей.
Физики из НИЯУ МИФИ, Южного федерального университета, Италии и Франции предложили рассматривать темную материю не как одну неизвестную частицу, а как скрытый сектор со своей «темной химией». В модели ученых невидимая часть Вселенной может иметь собственную «периодическую таблицу», состоящую из «темных атомов».
Работой руководит главный научный сотрудник Института физики ЮФУ, профессор МИФИ Максим Хлопов. Авторы исходят из предположения, что в темном секторе могут существовать аналоги электронов и протонов, а взаимодействие между заряженными частицами может переносить «темный фотон». После остывания ранней Вселенной такие частицы могли объединяться в нейтральные структуры, похожие на обычные атомы водорода или гелия.
Темные атомы
Модель отличается от многолетней охоты за WIMP, тяжелыми слабовзаимодействующими частицами. Такой подход долго считался одним из главных направлений в поиске темной материи. Физики рассчитывали, что WIMP удастся связать с современной плотностью скрытой массы, найти через суперсимметричные частицы на Большом адронном коллайдере или зарегистрировать по редким столкновениям в подземных детекторах.
Положительных результатов пока нет. На Большом адронном коллайдере не нашли ожидаемые суперсимметричные частицы, а подземные эксперименты не подтвердили эффекты ядер отдачи, на которые рассчитывали сторонники WIMP. По словам Хлопова, отсутствие таких сигналов заставляет физиков анализировать другие возможные формы скрытой массы.
В одном из вариантов модели появляется сверхтяжелая частица X с большим отрицательным зарядом. Частица может захватывать легкие ядра обычного вещества, например ядра гелия. После связывания возникает электрически нейтральный «темный атом», который ведет себя как холодная невидимая материя.
Отдельно исследователи рассмотрели трехчастичную рекомбинацию. В обычной плазме двум противоположно заряженным частицам для образования атома нужен третий участник, который уносит лишнюю энергию. Авторы показали, что похожий механизм в темном секторе может работать эффективнее, чем считалось раньше.
Расчеты показывают, что при достаточно большом темном заряде значительная часть скрытой материи к нынешней эпохе могла перейти в нейтральные «темные атомы». Небольшая доля могла сохраниться в ионизированном, то есть заряженном виде. Такое разделение помогает связать модель с данными космического детектора AMS на Международной космической станции.
AMS больше 10 лет фиксирует избыток позитронов, античастиц электрона, прилетающих из космоса. Распад темной материи мог бы дать дополнительный поток позитронов, но у многих объяснений возникает проблема: вместе с таким процессом должен появляться заметный фон гамма-излучения. Наблюдения не показывают ожидаемого гамма-сигнала.
Модель «темных атомов» предлагает другое объяснение. Заряженная часть темной плазмы может концентрироваться в диске Галактики, как обычное вещество, и давать поток позитронов при распаде. Нейтральные «темные атомы» формируют большое гало и не создают сильного гамма-фона. Так авторы связывают в одной схеме избыток позитронов и отсутствие заметного гамма-излучения.
Еще одна часть работы касается прямого поиска темной материи на Земле. Итальянский детектор DAMA/LIBRA много лет регистрирует сезонное изменение числа лишних вспышек в кристаллах йодида натрия. По расчетам физиков МИФИ, сигнал может быть связан с прохождением «темных атомов» гелия через Землю.
В предложенной модели «темный атом» может иметь массу до 11 ТэВ, что тяжелее ядра свинца. При движении через горную породу такой объект теряет скорость и постепенно смещается к центру Земли. Попав в детектор, «темный атом» может связаться с ядром натрия и испустить фотон с энергией от одного до шести кэВ. Именно в таком диапазоне DAMA/LIBRA фиксирует аномальные события.
Модель также объясняет годовой ритм сигнала. Земля в разные месяцы по-разному движется относительно потока темной материи, поэтому число событий в детекторе должно меняться с периодом один год. По расчетам авторов, отклик должен быть сильнее на легких ядрах, например на натрии, и слабее на тяжелых мишенях, включая жидкий ксенон. Такая зависимость может объяснить, почему DAMA/LIBRA видит аномалию, а ксеноновые детекторы не подтверждают аналогичный сигнал.
Исследователи продолжают уточнять квантово-механические модели связывания «темных атомов» с обычным веществом и ищут параметры, которые согласуются с накопленными астрофизическими и лабораторными данными. Работу поддержали гранты Российского научного фонда и Минобрнауки России.
Астрофизики много лет пытаются объяснить одну из главных загадок космоса: галактики вращаются слишком быстро для видимой массы. Если учитывать только звезды, газ и пыль, гравитации не хватает, чтобы удерживать галактики в наблюдаемом виде. Значит, во Вселенной должна существовать дополнительная невидимая масса. Такую массу называют темной материей.
Физики из НИЯУ МИФИ, Южного федерального университета, Италии и Франции предложили рассматривать темную материю не как одну неизвестную частицу, а как скрытый сектор со своей «темной химией». В модели ученых невидимая часть Вселенной может иметь собственную «периодическую таблицу», состоящую из «темных атомов».
Работой руководит главный научный сотрудник Института физики ЮФУ, профессор МИФИ Максим Хлопов. Авторы исходят из предположения, что в темном секторе могут существовать аналоги электронов и протонов, а взаимодействие между заряженными частицами может переносить «темный фотон». После остывания ранней Вселенной такие частицы могли объединяться в нейтральные структуры, похожие на обычные атомы водорода или гелия.
Темные атомы
Модель отличается от многолетней охоты за WIMP, тяжелыми слабовзаимодействующими частицами. Такой подход долго считался одним из главных направлений в поиске темной материи. Физики рассчитывали, что WIMP удастся связать с современной плотностью скрытой массы, найти через суперсимметричные частицы на Большом адронном коллайдере или зарегистрировать по редким столкновениям в подземных детекторах.
Положительных результатов пока нет. На Большом адронном коллайдере не нашли ожидаемые суперсимметричные частицы, а подземные эксперименты не подтвердили эффекты ядер отдачи, на которые рассчитывали сторонники WIMP. По словам Хлопова, отсутствие таких сигналов заставляет физиков анализировать другие возможные формы скрытой массы.
В одном из вариантов модели появляется сверхтяжелая частица X с большим отрицательным зарядом. Частица может захватывать легкие ядра обычного вещества, например ядра гелия. После связывания возникает электрически нейтральный «темный атом», который ведет себя как холодная невидимая материя.
Отдельно исследователи рассмотрели трехчастичную рекомбинацию. В обычной плазме двум противоположно заряженным частицам для образования атома нужен третий участник, который уносит лишнюю энергию. Авторы показали, что похожий механизм в темном секторе может работать эффективнее, чем считалось раньше.
Расчеты показывают, что при достаточно большом темном заряде значительная часть скрытой материи к нынешней эпохе могла перейти в нейтральные «темные атомы». Небольшая доля могла сохраниться в ионизированном, то есть заряженном виде. Такое разделение помогает связать модель с данными космического детектора AMS на Международной космической станции.
AMS больше 10 лет фиксирует избыток позитронов, античастиц электрона, прилетающих из космоса. Распад темной материи мог бы дать дополнительный поток позитронов, но у многих объяснений возникает проблема: вместе с таким процессом должен появляться заметный фон гамма-излучения. Наблюдения не показывают ожидаемого гамма-сигнала.
Модель «темных атомов» предлагает другое объяснение. Заряженная часть темной плазмы может концентрироваться в диске Галактики, как обычное вещество, и давать поток позитронов при распаде. Нейтральные «темные атомы» формируют большое гало и не создают сильного гамма-фона. Так авторы связывают в одной схеме избыток позитронов и отсутствие заметного гамма-излучения.
Еще одна часть работы касается прямого поиска темной материи на Земле. Итальянский детектор DAMA/LIBRA много лет регистрирует сезонное изменение числа лишних вспышек в кристаллах йодида натрия. По расчетам физиков МИФИ, сигнал может быть связан с прохождением «темных атомов» гелия через Землю.
В предложенной модели «темный атом» может иметь массу до 11 ТэВ, что тяжелее ядра свинца. При движении через горную породу такой объект теряет скорость и постепенно смещается к центру Земли. Попав в детектор, «темный атом» может связаться с ядром натрия и испустить фотон с энергией от одного до шести кэВ. Именно в таком диапазоне DAMA/LIBRA фиксирует аномальные события.
Модель также объясняет годовой ритм сигнала. Земля в разные месяцы по-разному движется относительно потока темной материи, поэтому число событий в детекторе должно меняться с периодом один год. По расчетам авторов, отклик должен быть сильнее на легких ядрах, например на натрии, и слабее на тяжелых мишенях, включая жидкий ксенон. Такая зависимость может объяснить, почему DAMA/LIBRA видит аномалию, а ксеноновые детекторы не подтверждают аналогичный сигнал.
Исследователи продолжают уточнять квантово-механические модели связывания «темных атомов» с обычным веществом и ищут параметры, которые согласуются с накопленными астрофизическими и лабораторными данными. Работу поддержали гранты Российского научного фонда и Минобрнауки России.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
