Физик объяснил неудачи при регистрации темной материи отталкиванием

Физик объяснил неудачи при регистрации темной материи отталкиванием

Частицы темной материи не удается обнаружить напрямую из-за того, что они отталкиваются от частиц обычной материи, считает физик из Брукхейвенской национальной лаборатории Хуман Давудиазл (Hooman Davoudiasl). По его расчетам, опубликованным в Physical Review D, если радиус действия этой отталкивающей силы сопоставим с радиусом Земли или превышает его, частиц темной материи около планеты просто нет, и физикам нечего детектировать.

С помощью темной материи удается сравнительно просто объяснить многие явления, например гравитационное линзирование, кривые вращения галактик или флуктуации температуры реликтового излучения. Без привлечения темной материи эти явления объясняются гораздо более сложным образом. По текущим оценкам, доля темной материи во Вселенной составляет около 22 процентов, что почти в пять раз больше, чем доля обычной материи. Подробнее почитать о том, почему эта концепция так важна для современной науки, можно в нашем интервью с астрофизиком Андреем Дорошкевичем.

Обнаружить гравитационное действие темной материи несложно, например, наблюдая за движением галактик или искажением света, проходящего мимо галактических скоплений. Однако в прямых экспериментах, предполагающих, что электроны или атомные ядра должны рассеиваться на частицах темной материи (пусть и очень слабо), она до сих пор себя не проявила. Полученные экспериментально ограничения на сечения подобных процессов огромны — например, эксперименты на LHC устанавливают верхнюю границу для сечения 10−46 ÷ 10−42 квадратных сантиметров.

В данной работе физик Хуман Давудиазл (Hooman Davoudiasl) предложил объяснить отсутствие прямых наблюдений темной материи тем, что рядом с Землей ее попросту нет. Для этого ученый предположил, что взаимодействие между частицами темной и обычной материи осуществляется посредством бозона с очень маленькой массой (порядка 10−14 электронвольт), так что между этими частицами возникает сила отталкивания, которая имеет радиус действия, сравнимый с радиусом Земли. Такой подход к описанию взаимодействий используется в теоретической физике тех пор, как Юкава объяснил взаимодействие между адронами с помощью пиона (только его масса составляет примерно 108 электронвольт, и радиусы соответствующих сил получаются в 1022 раз меньше).

В результате вокруг Земли возникает эффективный потенциал, в котором частицам темной материи энергетически невыгодно находиться близко от планеты. Казалось бы, они все еще могут преодолеть этот потенциал, если имеют достаточную кинетическую энергию. Однако скорость движения темной материи в окрестностях Земли примерно равна 10−3 (в естественных единицах, в более привычных обозначениях это около двухсот километров в секунду), а верхний предел для массы унитарных частиц темной материи составляет 350 тераэлектронвольт, и максимально возможная кинетическая энергия частиц оказывается равной примерно 200 мегаэлектронвольт. Это намного меньше высоты возникающего потенциального барьера (~10 гигаэлектронвольт), поэтому преодолеть его частицы не могут.

Впрочем, нужно иметь в виду, что статья физика является чисто теоретической и предполагает только один из способов объяснить неудачи экспериментов по прямому детектированию. Более того, в этой статье теоретик не приводит никаких аргументов в пользу существования такой эффективной отталкивающей силы (кроме невероятно малых значений для сечения взаимодействия, полученных в экспериментах) и не вычисляет массу предложенного бозона каким-либо независимым способом. Тем не менее, экспериментально проверить эту гипотезу в принципе можно. Например, учет этого взаимодействия должен привести к поправкам при гравитационном линзировании на скоплениях галактик. Кроме того, если масса бозона достаточно мала и радиус действия сил оказывается сравним с радиусом орбиты Земли, в течение года число прямых регистраций рассеяния частиц темной материи на нуклонах будет изменяться, и эту зависимость можно померить экспериментально. Разумеется, если точность соответствующих экспериментов достигнет необходимой величины.

В конце октября коллаборация XENON1T опубликовала в Physical Review Letters результаты 34-дневного эксперимента по поиску темной материи, в результате которого не удалось зарегистрировать ни одного события, отвечающего ее взаимодействию с обычной материей. Найденная в этом эксперименте верхняя граница для сечения рассеяния составила 10−46 квадратных сантиметров. Мы писали об этом эксперименте еще весной, когда препринт статьи вышел на сайте arXiv.org.

С другой стороны, в прошлом году ученые обнаружили следы темной материи в окрестностях Млечного Пути — для этого они анализировали распределение звезд в потоке Palomar 5. Также относительно недавно астрономы построили детальную карту распределения темной материи в скоплениях галактик, которая в целом совпала с предсказаниями модели ΛCDM (холодной темной материи).

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>