Физики установили строгий предел массы темной материи

Физики из университета Брауна установили предел массы темной материи, таинственной субстанции, которая, как полагают ученые, составляет почти четверть Вселенной

Исследователи сообщают, что темная материя должна иметь массу больше, чем 40 гигаэлектронвольт (ГэВ). Это определение имеет большое значение, так как оно подвергает сомнению недавние результаты подземных экспериментов, которые предполагают обнаружение темной материи.

Если темная материя существует во Вселенной, то ученые установили довольно жесткие рамки ее массы, что является самым точным открытием, связанным с этой таинственной субстанцией, о которой до сих пор делались только туманные предположения.

В статье, изданной 1 декабря в Physical Review Letters, старший преподаватель из университета Брауна Саввас Кошиаппас (Savvas Koushiappas) и аспирант Алекс Герингер-Самет (Alex Geringer-Sameth) сообщают, что темная материя должна иметь массу больше, чем 40 ГэВ, что можно увидеть в столкновениях темной материи, вовлекающих тяжелые кварки. Используя общедоступные данные, собранные космическим гамма-лучевым телескопом НАСА Ферми и при использовании нового статистического подхода, ученые из Брауна ограничили массу частиц темной материи, вычислив коэффициент, при котором частицы уравновешивают друг друга на примере карликовых галактик-соседей Млечного пути.

«Мы определили, что если масса частицы составляет меньше, чем 40 ГэВ, то это не может быть частицей темной материи», - сказал Кошиаппас.

Результаты исследования ученых из Брауна подвергают сомнению результаты недавней совместной работы ученых, сообщивших об обнаружении неуловимой частицы при проведении физико-геологических экспериментов под землей. Участники эксперимента DAMA/LIBRA, CoGeNT и CRESST говорят, что они нашли темную материю с массами в пределах от 7 - 12 ГэВ, что меньше, чем предел, определенный физиками из Брауна.

Изображение Вселенной, полученное космическим гамма-лучевым телескопом НАСА Ферми. Физики из Брауна исследовали семь карликовых галактик (обозначенных белым). Наблюдения показывают, что эти карликовые галактики полны темной материи, так как движение их звезд не поддается привычному объяснению, что делает их идеальными объектами для поиска сигналов аннигиляции темной материи

«Если допустить, что масса частицы темной материи составляет меньше 40 ГэВ, то это противоречило бы теории о расширении Вселенной», - сказал Кошиаппас, ссылаясь на Нобелевскую премию 2011 года по физике, которая была выдана за подтверждение того, что расширение Вселенной ускоряется.

Физики верят, что то, что можно увидеть (планеты, звезды, галактики и все остальное) - это только 4% Вселенной. Наблюдения позволяют предположить, что темная материя составляет приблизительно 20-23% Вселенной, в то время как все остальное состоит из темной энергии - силы, которая, как полагают, инициирует ускоренное расширение Вселенной. Проблема в обнаружении темной материи и темной энергии в том, что эти субстанции не испускают электромагнитного и радиационного излучения, как звезды и планеты; следовательно, их можно «заметить» только через их гравитационные проявления. Темный профиль и большая масса – это основные причины того, почему темная материя, как подозревают ученые, является слабо взаимодействующей массивной частицей (условно СВМЧ), что делает ее почти недоступной для изучения.

Физики точно знают, что когда СВМЧ и ее античастица сталкиваются в процессе, известном как аннигиляция, остаются «осколки» в виде тяжелых кварков и лептонов. Физики также знают, что когда кварк и его родной брат антикварк аннигилируются, то они производят потоки (джеты) частиц, которые включают фотоны или световые частицы.

Саввас Кошиаппас и Алекс Герингер-Самет в сущности полностью воспроизвели цепную реакцию аннигиляции в обратном порядке. Они сосредоточили исследование на семи карликовых галактиках, которые, как показывают наблюдения, полны темной материи, потому что движение их звезд невозможно полностью объяснить, если исходить из физической массы. Эти карликовые галактики в значительной степени лишены водородного газа и другой материи, что может означать, что они представляют собой идеальные объекты для наблюдения темной материи и ее воздействий.

Ученые проанализировали данные гамма-лучей, собранные за три года телескопом Ферми, чтобы измерить число фотонов в карликовых галактиках. Из числа фотонов исследователи Брауна смогли определить темп производства кварков, что в свою очередь позволило им устанавливать ограничения на массу частиц темной материи и уровень развития, при котором они аннигилируются.

«В первый раз мы можем исключить родовые частицы СВМЧ, которые могли составлять избыточную часть темной матери», - сказал Кошиаппас.

Герингер-Самет разрабатывал статистическую структуру, облегчающую анализ данных и затем применял ее к наблюдениям за карликовыми галактиками. «Я думаю, что это переломный момент в поиске темной материи, потому что многочисленное экспериментальное оборудование, наконец, практически выявляет следы или проявления того, что столько времени было лишь теорией, - сказал Герингер-Самет. – Сегодня мы в действительности проверяем многие теории, относительно темной материи».