Британские физики показали, что эффекты, связанные с квантовой гравитацией, приводят к возникновению сильных ограничений на возможную массу частиц темной материи, причем как снизу, так и сверху. Полученные таким образом диапазоны допустимых масс для разных типов темных частиц оказались существенно уже, чем более ранние теоретические ограничения, и исключают существование очень легких и очень тяжелых частиц темной материи. В будущем такой результат может пригодиться в ходе экспериментальных поисков темной материи. Статья опубликована в журнале Physics Letters B.
У физиков есть множество косвенных доказательств существования темной материи — гипотетической формы вещества, которая не участвует в электромагнитном взаимодействии. Без предположения о существовании такого темного аналога обычной материи очень сложно объяснить целый ряд явлений, которые физики называют эффектами скрытой массы. Причем проявляются эти эффекты на самых разных пространственных и временных масштабах нашей Вселенной. К примеру, темная материя позволяет одновременно объяснить и аномально высокие скорости вращения периферический областей галактик, и особенности в данных о реликтовом микроволновом излучении, хотя за этими эффектами стоит совершенно разная физика, а возникали они на разных этапах эволюции Вселенной. Поэтому физики и уверенны в существовании темной материи несмотря на то, что пока им не удалось напрямую ее зарегистрировать.
Темной материи, однако, нет места в Стандартной модели — устоявшейся теоретической конструкции в физике элементарных частиц, которая достаточно точно описывает накопившейся объем экспериментальных данных в этой области. Поэтому для описания природы темной материи ученым нужны новые теории, а для проверки предлагаемых гипотез — экспериментальные данные о характеристиках темных частиц, важнейшей из которых является их масса. Ранее предложенные теоретические конструкции говорили о том, что масса частиц темной материи должна лежать в интервале примерно между 10-22 электронвольт и 1019 гигаэлектронвольт. Исходя из этих ограничений проектируются и эксперименты по прямой регистрации темной материи. Так, легкие темные аксионы ищут с помощью специальных магнитных детекторов и по спектрам нейтронных звезд, темные бозоны с массой порядка мегаэлектронвольт пытаются увидеть с помощью точных измерений атомных спектров, а тяжелые темные ядра предлагают искать с помощью массива маленьких маятников. Новые теоретические ограничения на массу темных частиц, в свою очередь, позволили бы сузить и масштабы экспериментальных поисков.
Теперь же Ксавье Кальме (Xavier Calmet) и Фолькерт Кейперс (Folkert Kuipers) из Сассекского университета существенно сузили диапазон возможных масс частиц темной материи в своем теоретическом исследовании. В нем ученые использовали общепринятое предположение о том, что взаимодействие темной материи с самой собой и с обычной материей не путем гравитации пренебрежимо мало. Но получить более сильные ограничения на массу темной материи удалось именно за счет рассмотрения действия на нее гравитации, причем в ее квантовой форме. Предполагаемая квантовая природа гравитации давала физикам ограничение на верхний предел масс: слишком тяжелые частицы за прошедшее время жизни Вселенной претерпевали бы распад за счет квантовых эффектов. В случае слишком легких темных частиц эффекты квантовой гравитации приводили бы к возникновению так называемой пятой силы, величина которой ограничена экспериментально. Также снизу массу темной материи ограничила и теорема Паули, происходящая из фундаментальных принципов квантовой теории поля и применимая для случая фермионной темной материи.
В ходе исследования ученые рассмотрели случай скалярных и псевдоскалярных (аксионов) частиц темной материи, а также темных фермионов (со спином 1/2) и частиц со спином 2, все из которых являлись синглетом относительно калибровочного преобразования. В результате сильнее всего ограничили темные фермионы, массу которых физики поместили в интервал от 102 до 1010 электронвольт. Ограничения чуть слабее были получены для скалярных частиц и темной материи со спином 2: для них допустимая масса оказалась между 10-3 и 107 электронвольт. Те же значения были получены для темных аксионов в случае, если законы квантовой гравитации нарушают четность, в обратном же случае масса темных псевдоскалярных частиц должна быть между 10-21 и 107 электронвольт. Кроме того, физики рассмотрели случай векторной частицы со спином 1: ее масса оказалась ограничена 10-22 и 107 электронвольтами.
Ученые отмечают, что такие ограничения они получили, рассматривая квантовую гравитацию в самой слабой из ее возможных вариаций, то есть действующей на масштабах не более планковской массы. Это худший по силе конечных ограничений вариант для рассмотренной теории, и в случае, если квантовая гравитация сильнее, полученные ограничения на массу темной материи лишь усилятся. С другой стороны, важно и то, что полученные результаты действительны только для калибровочно неинвариантных полей: в обратном случае калибровочная инвариантность будет «спасать» частицы от распада и возникновения пятой силы, а значит полученные ограничения будут неприменимы.
Физики могут предугадать не только массу частиц темной материи, но и другие ее характеристики и свойства. Так, ранее темной материи разрешили иметь цвет, а ее сверхтекучесть опровергли с помощью данных о динамике Млечного Пути.
По информации https://nplus1.ru/news/2021/02/02/dark-matter-mass-bounds
Обозрение "Terra & Comp".
