Одного з головних кандидатів на роль темної матерії списали з рахунків надто рано. Вважалося, що темні фотони мали б помітно розігріти ранній Всесвіт, а такого нагрівання астрономи не зафіксували. За допомогою комп’ютерного моделювання фізики отримали інший результат. Темні фотони майже не віддавали енергію плазмі, тому відсутність слідів у спостереженнях більше не заперечує їхнє існування.
Невидима більшість
Темна матерія приблизно вп’ятеро переважає за масою звичайну (баріонну) речовину, з якої складаються зорі, планети й наші тіла. Вона залишається невловимою, оскільки, наскільки нам відомо, не має помітної електромагнітної взаємодії та не випромінює, не поглинає і не розсіює світло. Про її існування ми судимо переважно за гравітаційним впливом на видиму речовину.
Електрони, протони та нейтрони, навпаки, взаємодіють з електромагнітним полем. Ця відмінність підштовхнула фізиків шукати частинки за межами Стандартної моделі. Гіпотетичних претендентів набралося чимало.
Частинка прихованого сектору
Одним із таких претендентів є темний фотон, гіпотетичний аналог звичайного фотона, який є переносником взаємодії в так званому темному секторі. Так називають гіпотетичний набір частинок і взаємодій, які майже не взаємодіють зі звичайною матерією (лише гравітаційно, наскільки нам наразі відомо) та можуть бути пов’язані з нею лише дуже слабко.
Ідея з’явилася ще 1986 року, коли Боб Голдом описав механізм кінетичного змішування двох незалежних електромагнітних полів. Такий механізм допускає дуже слабкий зв’язок між звичайним і темним секторами. Відтоді темний фотон залишається одним із найпопулярніших припущень у теоретичній фізиці.
Слід у гарячій плазмі
Молодий Всесвіт заповнювала щільна і розжарена речовина. Обчислення попередніх років передбачали, що темні фотони всередині неї перетворювалися б на звичайні. Побічним ефектом мало стати додаткове нагрівання плазми та помітні відбитки у спостереженнях.
Жодних таких слідів астрономи не знайшли. Як зазначає Space.com, діапазон допустимих параметрів звузився настільки, що багато космологічних спостережень взагалі виключали існування темних фотонів.
Нелінійності обривають процес
Перші сумніви виникли, коли автори роботи звернули увагу на підозріло високі значення енергії. Проблема була у припущенні про лінійність, за яким енергія переходила у плазму поступово і рівномірно. «Останні п’ятнадцять років використовували лінійний підхід. Якщо застосувати це наближення, отримуєш дуже велике перенесення енергії», — розповів Джунву Хуан з Інституту теоретичної фізики «Периметр».
За допомогою симуляцій вдалося показати неповноту такої картини. Щойно перші порції енергії надходили у плазму Стандартної моделі, у системі виникала безліч нелінійних ефектів. Вони обривали перетворення після того, як передавалася мізерна частина початкової енергії темних фотонів.
Висновки пройшли рецензування, стаття вийшла тринадцятого серпня у журналі Physical Review Letters. Роботу підписали троє науковців із двох установ.
Простір для пошуку
Попередні розрахунки різко занижували допустиму силу взаємодії темної матерії. «Ці виключення стверджували, що сила взаємодії темної матерії має бути у сто мільйонів разів слабшою, ніж вона може бути насправді», — зазначив Ансон Гук з Університету Мериленду в Коледж-Парку.
Ширший діапазон параметрів зачіпає й інші гіпотетичні частинки поза межами усталеної теорії. «Якщо коректно розрахувати плазму раннього Всесвіту, експерименти зможуть перевірити нові області параметрів і, можливо, справді щось побачити», — додав Мохамад Шалабі, співавтор дослідження з того самого інституту.
