Темна матерія, невловима субстанція, що становить більшу частину маси Всесвіту, може складатися з масивних частинок, які називають гравітонами. Вони з’явилися одразу після Великого вибуху.
І ці гіпотетичні частинки можуть бути космічними біженцями із додаткових вимірів, припускає нова теорія.
Розрахунки дослідників натякають те що, що ці частки могли бути створені у потрібних кількостях, щоб пояснити темну матерію, яку можна «побачити» лише через її гравітаційне тяжіння до звичайної матерії.
«Масивні гравітони утворюються в результаті зіткнень звичайних частинок у ранньому Всесвіті. Вважалося, що цей процес дуже рідкісний, щоб масивні гравітони могли бути кандидатами в темну матерію», – сказав Live Science співавтор дослідження Джакомо Каччапалья, фізик із Ліонського університету у Франції.
Але в новому дослідженні, опублікованому в лютому в журналі Physical Review Letters, Каччапалья разом з фізиками Корейського університету Хайін Цаєм і Сином Дж. Лі виявили, що в ранньому Всесвіті було утворено достатню кількість цих гравітонів, щоб пояснити всю темну матерію, яку ми в даний час час виявляємо у Всесвіті.
Дослідження показало, що гравітони, якщо вони існують, матимуть масу менше 1 мегаелектронвольта (МеВ), тобто не більш ніж удвічі більше за масу електрона.
Цей рівень маси значно нижчий за масштаб, при якому бозон Хіггса генерує масу звичайної матерії, що є ключовим моментом для моделі, що дозволяє виробляти достатню їх кількість, щоб пояснити всю темну матерію у Всесвіті. (Для порівняння, за даними Національного інституту стандартів та технологій, найлегша відома частка, нейтрино, важить менше 2 електронвольт, а протон важить приблизно 940 МеВ.)
Команда виявила ці гіпотетичні гравітони під час пошуку свідчень існування додаткових вимірів, які, як підозрюють деякі фізики, існують поряд із трьома вимірами простору, що спостерігаються, і четвертим виміром, часом.
Відповідно до теорії команди, коли гравітація поширюється через додаткові виміри, вона матеріалізується у нашому Всесвіті у вигляді масивних гравітонів.
Але ці частинки будуть слабо взаємодіяти зі звичайною речовиною і лише через силу тяжіння.
Цей опис жахливо схожий на те, що ми знаємо про темну матерію, яка не взаємодіє зі світлом, але має гравітаційний вплив, який відчувається всюди у Всесвіті. Цей гравітаційний вплив, наприклад, запобігає розлітанню галактик.
“Основна перевага масивних гравітонів як частинок темної матерії полягає в тому, що вони взаємодіють лише гравітаційно, тому вони можуть уникнути спроб виявити їхню присутність”, – сказав Каччапалья.
Той факт, що масивні гравітони майже не взаємодіють за допомогою гравітації з іншими частинками та силами у Всесвіті, дає ще одну перевагу.
«Через їхню дуже слабку взаємодію вони розпадаються так повільно, що залишаються стабільними протягом усього часу життя Всесвіту, — сказав Каччапалья. — З тієї ж причини вони повільно виробляються під час розширення Всесвіту і накопичуються до сьогодні».
У минулому фізики вважали гравітони малоймовірними кандидатами у темну матерію, бо процеси, що їх створюють, надзвичайно рідкісні. В результаті гравітони будуть створюватися набагато повільніше, ніж інші частки.
Але команда виявила, що за пікосекунди (трильйонну частку секунди) після Великого вибуху було створено більше цих гравітонів, ніж передбачалося в попередніх теоріях.
Дослідження показало, що цього збільшення було достатньо для масивних гравітонів, щоб повністю пояснити кількість темної матерії, яку ми виявляємо у Всесвіті.
Оскільки масивні гравітони формуються нижче за енергетичний масштаб бозона Хіггса, вони вільні від невизначеностей, пов’язаних з вищими енергетичними масштабами, які сучасна фізика елементарних часток не дуже добре описує.
Теорія команди пов’язує фізику, що вивчається на прискорювачах частинок, таких як Великий адронний колайдер, з фізикою гравітації.
Це означає, що потужні прискорювачі частинок, такі як Майбутній круговий колайдер у ЦЕРНі, який має розпочати роботу у 2035 році, можуть шукати докази зазначених потенційних частинок темної матерії.