Modelul standard de cosmologie ne spune că doar 4,9% din univers constă din materie obișnuită (din ceea ce putem vedea), în timp ce restul este de 26,8% materie întunecată și 68,3% întuneric energie. După cum sugerează și numele acestor concepte, nu le putem vedea, așa că existența lor trebuie să decurgă din modelele teoretice, observațiile structurii pe scară largă a Universului și efectele gravitaționale evidente care apar asupra materiei vizibile.
De când s-a vorbit despre acest lucru, cu siguranță nu au lipsit speculațiile cu privire la aspectul particulelor de materie întunecată. Nu cu mult timp în urmă, mulți oameni de știință au început să creadă că materia întunecată constă în particule masive care interacționează slab (WIMP, WIMPs), care sunt de aproximativ 100 de ori mai mari decât un proton, dar care interacționează ca neutrinii. Cu toate acestea, toate încercările de a găsi WIMP folosind experimente de accelerare a particulelor nu au dus la nimic. Prin urmare, oamenii de știință au început să rezolve posibile alternative la compoziția materiei întunecate.
Modelele cosmologice moderne tind să presupună că masa materiei întunecate se află la 100 GeV (gigaelectronvolt), ceea ce corespunde limitelor de masă ale multor alte particule care interacționează cu ajutorul unei forțe nucleare slabe. Existența unei astfel de particule ar corespunde unei extinderi supersimetrice a modelului standard de fizică a particulelor. În plus, se crede că astfel de particule ar fi trebuit să se nască într-un univers fierbinte, dens, timpuriu, cu densitatea de masă a materiei, care a rămas neschimbată până în prezent.
Cu toate acestea, experimentele în desfășurare pentru identificarea WIMP-urilor nu au găsit dovezi concrete pentru existența unor astfel de particule. Acestea au inclus căutări pentru produse de anihilare WIMP (raze gamma, neutrini și raze cosmice) în galaxii și clustere din apropiere, precum și experimente directe de detectare a particulelor folosind supercollideri precum LHC.
Prin supersimetrie, wimps-urile se anihilează între ele, creând o cascadă de particule și radiații, inclusiv raze gamma de energie medie
Găsind nimic, mulți oameni de știință au decis să se îndepărteze de paradigma WIMP și să caute materia întunecată în altă parte. Un astfel de grup de cosmologi CERN și CP3-Origins din Danemarca a publicat recent un studiu care arată că materia întunecată poate fi mult mai grea și mai slabă pentru a interacționa decât se credea anterior.
Unul dintre membrii echipei de cercetare CP-3 Origins, Dr. McCullen Sandora, a vorbit despre eforturile echipei sale:
Video promotional:
„Nu putem exclude încă scenariul WIMP, dar în fiecare an bănuim din ce în ce mai mult decât nu am văzut nimic. În plus, scara slabă obișnuită a fizicii suferă de o problemă de ierarhie. Nu este clar de ce toate particulele pe care le cunoaștem sunt atât de ușoare, mai ales dacă ne uităm la scara naturală a gravitației, la scara Planck, care este de aproximativ 1019 GeV. Deci, dacă materia întunecată ar fi mai aproape de scara Planck, aceasta nu ar fi afectată de problema ierarhiei și asta ar explica și de ce nu am văzut semnături asociate cu WIMP-uri.”
Folosind un nou model pe care îl numesc Interacting Dark Matter (PIDM) al lui Planck, oamenii de știință investighează o limită superioară a masei de materie întunecată. În timp ce WIMP-urile plasează masa materiei întunecate la capătul superior al scării electrodebole, echipa daneză de cercetare a lui Martias Garney, McCullen Sandora și Martin Slot a propus o particulă cu o masă care este pe o scară naturală complet diferită - scara Planck.
Pe scara Planck, o unitate de masă este echivalentă cu 2,17645 x 10-8 kilograme - aproximativ o microgramă, sau de 1019 ori masa unui proton. La această masă, fiecare PIDM este în esență la fel de greu pe cât o particulă poate fi înainte de a deveni o gaură neagră miniaturală. Grupul a sugerat, de asemenea, că aceste particule PIDM interacționează cu materia obișnuită doar gravitațional și că multe dintre ele s-au format în Universul foarte timpuriu în era încălzirii puternice - o perioadă care a început la sfârșitul erei inflaționiste, undeva între 10-36 până la 10- 33 sau 10-32 de secunde după Big Bang.
Această eră se numește așa deoarece, în timpul inflației, se crede că temperaturile spațiale au scăzut de 100.000 de ori. La sfârșitul inflației, temperaturile au revenit la nivelul lor preinflaționist (aproximativ 1027 Kelvin). În acest moment, cea mai mare parte a energiei potențiale a câmpului inflaționist a decăzut în particule ale modelului standard, care a umplut Universul și, printre ele - materie întunecată.
Bineînțeles, noua teorie vine cu partea sa de consecințe pentru cosmologi. De exemplu, pentru ca acest model să funcționeze, temperatura epocii de încălzire trebuia să fie mai mare decât se credea în prezent. Mai mult, o perioadă de încălzire mai caldă ar crea, de asemenea, mai multe unde gravitaționale primare care ar fi reflectate în fundalul cosmic cu microunde (CMB).
„Această temperatură ridicată ne spune două lucruri interesante despre inflație”, spune Sandora. - Dacă materia întunecată este PIDM: mai întâi, inflația a procedat la energii foarte mari, care ar produce nu numai fluctuații ale temperaturii Universului timpuriu, ci și în spațiul-timp în sine, sub forma undelor gravitaționale. În al doilea rând, ne spune că energia inflației ar fi trebuit să se descompună în materie extrem de repede, deoarece dacă ar dura mult timp, Universul s-ar putea răci până la punctul în care nu ar mai putea produce deloc PIDM.
Existența acestor unde gravitaționale poate fi confirmată sau exclusă în studiile viitoare ale fondului cosmic cu microunde. Aceasta este o veste extrem de interesantă, deoarece descoperirea recentă a undelor gravitaționale este de așteptat să ducă la eforturi reînnoite pentru a detecta undele primordiale care sunt înrădăcinate în chiar creația universului.
După cum a explicat Sandora, toate acestea prezintă un scenariu clar câștig-câștig pentru oamenii de știință, deoarece cel mai nou candidat pentru materia întunecată va fi fie descoperit, fie respins în viitorul apropiat.
„Scenariul nostru face o predicție ironică: vom vedea unde gravitaționale în următoarea generație de experimente cu fundalul cosmic cu microunde. Adică, acesta este un câștig-câștig: dacă le vedem, este minunat și dacă nu le vedem, atunci vom ști că materia întunecată nu este un PIDM, din care rezultă că ar trebui așteptată o parte din interacțiunea sa cu materia obișnuită. Dacă toate acestea se vor întâmpla în următorii zece ani, nu putem decât să așteptăm nerăbdători.
De când Jacobus Kaptein a sugerat prima dată existența materiei întunecate în 1922, oamenii de știință au căutat confirmarea directă a existenței acesteia. Unul după altul, candidații dintre particule - de la gravitino la axii - au fost propuși, selectați și au intrat pe tărâmul căutării perpetue. Ei bine, dacă acest ultim candidat este refuzat sau confirmat fără echivoc, acea opțiune nu este deja rea.
La urma urmei, dacă se confirmă, vom rezolva unul dintre cele mai mari mistere cosmologice din toate timpurile. Să facem un pas mai aproape de înțelegerea universului și de modul în care forțele sale misterioase interacționează între ele.
