Темные бозоны сейчас рассматриваются как потенциальные кандидаты на роль частиц темной материи. В отличие от известных бозонов, таких как фотоны и глюоны, которые активно взаимодействуют с окружающей средой, темные бозоны обладали бы слабым взаимодействием. Однако их коллективная энергия могла бы объяснить формирование темной материи – недостающей массы, отвечающей за дополнительную гравитацию, необходимую для поддержания структуры нашей Вселенной. Обнаружение темных бозонов теоретически возможно посредством анализа “шума”, возникающего при их взаимодействиях. Два независимых исследования, проведенные в Массачусетском технологическом институте (MIT) и Орхусском университете, пытались обнаружить тонкие изменения в положении электрона в атоме при его переходах между энергетическими уровнями.
Такие колебания электрона могли бы свидетельствовать о “толчке” от темного бозона, возникающего в результате взаимодействия вращающегося электрона с кварками нейтронов в ядре атома.
Эксперимент MIT использовал изотопы иттербия, а исследование Орхусского университета – кальций. Результаты были представлены в виде графиков, отражающих движения электронов. График для кальция соответствовал ожиданиям, в то время как график для иттербия показал статистически значимое отклонение от линейности.
Однако преждевременные выводы о существовании темных бозонов недопустимы. Отклонение может быть связано с ошибками в вычислениях или специфической поправкой, называемой квадратичным сдвигом поля.
Кроме того, отсутствие согласованности результатов двух экспериментов – успех одного и неудача другого – требует дальнейшего анализа для выяснения причин расхождений.
Будущие исследования с использованием более чувствительных приборов и новых методов поиска малых частиц могут пролить свет на эту аномалию и помочь понять природу темной материи.
«Тёмная материя» в астрофизике изначально понятие чрезвычайно широкое, включающее всю не излучающую материю космоса. То есть, всё, кроме исправно работающих звёзд. В этом смысле, «тёмной материей» является и Земля… Но в правильном, актуальном, вызывающим максимально сильную ненависть смысле, «тёмной материей» считается только материя не барионная. И даже из ассортимента последней, обычно, подразумевается только «холодная тёмная материя» – облака вимпов, скапливающиеся в гравитационных ямах галактик и скоплений.
То есть, к этой, наиболее известной, «тёмной материи» не причисляются даже нейтрино, обладающие сходными с вимпами физическими свойствами, но очень малой массой покоя. Отдельной строкой идёт и «тёмная энергия», – тоже материя, и тоже с другими, не подходящими для выполнения космологических функций холодной тёмной материи физическими свойствами.
Но есть ещё и третья разновидность тёмной материи, – которую пока ненавидят слабо, так, словно бы её и нет. Однако, лишь потому, что люди пока недостаточно о ней информированы. Очевидно, что данная ситуация требует исправления, и «Джеймс Уэбб» работает над этим. Телескопом обнаружены три первых кандидата на роль предсказанных теорией «тёмных звёзд», – компактных тел из тёмной материи.
…Речь о «третьей тёмной материи» в данном случае идёт потому, что ни «холодная тёмная материя», ни «тёмная энергия» (ни нейтрино, кстати), не способны к коллапсу. Вимпы участвуют только в гравитационном и слабом взаимодействиях, и, как следствие, не обмениваются импульсом между собой. Но по условию задачи, «тёмной» будет любая частица, если она не участвует во взаимодействии электромагнитном. В других – можно. Среди гипотетических частиц есть и такие, которые способны взаимодействовать между собой, рассеивать импульс, а значит и коллапсировать.
Суть в том, что стандартная модель, как минимум, допускает существование множества разновидностей элементарных частиц, сверх обнаруженного ассортимента. Но большинство из частиц экзотических потому и не найдены, что не рождаются в реакциях, протекающих во вселенной последние 13.8 миллиардов лет. Условия для их появления наличествовали только вблизи космологической сингулярности.
К числу таких частиц относится и некоторое разнообразие массивных стабильных бозонов. Современные бозоны – кванты (фотон, глюон, W, Z-бозоны, бозон Хиггса, предположительно, гравитон) или безмассовые, или не стабильные частицы с малым временем жизни. Но могли быть другие бозоны. Их иногда ещё именуют «тёмными фотонами», – но только чтобы окончательно сбить читателя с толку и совсем уж запутать дело… Скорее, их можно сравнить с вимпами (слабо взаимодействующими массивными частицами), назвав «импами» (все то же самое, но без «слабо»). Имп, кстати, по-английски «бес», так что получается в тему.
И, собственно, об импах. Изначально, – по теории, как минимум, – их во вселенной было не так уж много. Недостаточно, для того, чтобы играть в космологии роль сравнимую с «холодной тёмной материей». Зато, в отличие от вимпов, импы – коллапсировали. И сделали это быстро, начав собираться в компактные объекты ещё до эпохи рекомбинации (375 тысяч лет после Большого Взрыва), – пока барионное вещество оставалось полностью ионизированным и кулоновские силы, расталкивающие ядра, препятствовали возникновению неоднородностей плотности.
Импы притягивались друг другу, но не имели электрического заряда. Учитывая же, что их ещё и было много – всяких, – тёмные звёзды молодой вселенной могли ярко светиться. Источником энергии в их недрах стала аннигиляция частиц и античастиц. Это был очень мощный источник, – при аннигиляции вся масса переходит в излучение. Соответственно, давление света способно было сдерживать огромную массу. Предположительно, масса тёмных звёзд могла достигать 10 миллионов условных «солнц», при светимости на уровне 10 миллиардов.
В настоящий момент подозревается, что удалённые – расположенные на самом краю видимой вселенной – источники JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 и JADES-GS-z11-0, ранее считавшиеся «преждевременно появившимися галактиками» – «тёмные звёзды». Чем дольше «Джеймс Уэбб» на них смотрит, тем меньше они на галактики кажутся похожими.
…Где сейчас гигантские тёмные звёзды молодой вселенной? Нигде. Они давно прогорели. Что могло аннигилировать – аннигилировало, остальное же ушло из мира, провалившись в чёрную дыру. Вполне вероятно, что так сверхмассивные (и средней массы) чёрные дыры и появились, чтобы далее расти, поглощая уже холодную тёмную и барионную материю. Но, ведь, кроме гигантских тёмных звёзд должны были появиться и мелкие?
Мелкие просто прогорели, но в чёрные дыры не превратились. Теория предсказывает, впрочем, очень небольшое количество таких объектов. Родиться они должны были в эпоху огромных температур и высокой плотности вещества, когда что-либо «мелкое» имело мало шансов не быть поглощённым более массивным телами.
Тем не менее, телескоп Gaia («Джейм Уэбб» на мелочи не разменивается), видит, минимум, один объект, могущий являться прогоревшей бозонной звездой. Это «старшая» компонента двойной системы, видимая по движению «младшей», – жёлтой звезды примерно солнечной массы. Объект тяжелее в 11 раз, не излучает, но при этом не является и чёрной дырой, – судя по гравитационному линзированию света видимой компоненты, его плотность для чёрной дыры слишком мала.
Найдены следы неизвестного науке бозона, который может быть составляющей загадочной темной материи
Иллюстрация: Ian Counts et al. / Physical review letters.
Ученые нашли отклонение от Стандартной модели в крайне точном измерении энергетических уровней двух квадрупольных состояний в пяти изотопах иттербия. Такой результат указывает на существование еще не обнаруженного взаимодействия между нейтронами и электронами в атомах, а соответствующий этому взаимодействию бозон, в случае его открытия, может оказаться кандидатом на темную материю.
Однако в журнале Physical Review Letters, где опубликована статья, одновременно вышла работа другой научной группы по аналогичному исследованию переходов в изотопах кальция, в которой физики не обнаружили расхождений между экспериментом и теорией. Стандартная модель — общепризнанная теория, которая крайне точно описывает практически все измерения в физике элементарных частиц.
Однако нет сомнений в том, что эта теория неполна: существует множество явлений, которые Стандартная модель не в состоянии предсказать или описать. В частности, в ней нет места частицам-кандидатам на темную материю — гипотетическую форму вещества, которая участвует в гравитационном взаимодействии, но не участвуют в электромагнитном, из-за чего ее невозможно увидеть напрямую.
Тем не менее, у физиков есть множество косвенных доказательств существования этого скрытого от наблюдателя вида материи: без нее в рамках подтвержденных теорий невозможно объяснить целый ряд космологических явлений, связанных с гравитационным взаимодействием вещества во Вселенной. К таким наблюдениям относятся, к примеру, аномально высокая скорость вращения внешних областей галактик и гравитационное линзирование. Среди прочих способов объяснить эти явления существование темной материи в виде скрытой массы наиболее реалистично.
Все это мотивирует научное сообщество на экспериментальные поиски темной материи, которую пытаются зарегистрировать на ряде масштабных лабораторных установок. Так, недавно детектор темной материи XENON1T зарегистрировал аномально большое число событий в среднем энергетическом диапазоне (единицы и десятки килоэлектронвольт), что может указывать на существование в ней частиц темной материи.
Еще до таких обнадеживающих результатов темную материю в виде частиц с массой от 100 электронвольт до 100 мегаэлектронвольт предложили искать в экспериментах по изучению энергетической структуры в различных изотопах одного химического элемента. Предполагалось, что в рамках этого метода можно проверить существование бозонов темной материи, которыми могли бы обмениваться нейтрон и электрон в атоме. Такое взаимодействие, в свою очередь, должно приводить к малому, но детектируемому отклонению частот квадрупольных переходов (скачков между состояниями атома с различными квантовыми числами, отвечающими за его сферическую симметричность) в спектрах атомов от предсказаний теории. Предположение оправдалось для атомов бериллия и гелия: в измерениях с ними нашли отклонения от Стандартной модели со статистической точностью в 7σ, которые объяснялись бы существованием гипотетической частицы X17 (названной по массе — 17 мегаэлектронвольт).
Похожие отклонения теперь обнаружили Иэн Каунтс (Ian Counts) и Чжунсок Ху (Joonseok Hu) из Массачусетского технологического института. Физики измеряли частоту двух квадрупольных переходов в пяти различных изотопах иттербия. Для этого они захватывали в атомную ловушку отдельные ионы, охлаждали их до температуры 500 микрокельвин, помещали в магнитное поле и последовательно светили на них лазерами с двумя различными длинами волн, чтобы отдельно друг от друга возбудить два перехода. После каждого облучения ученые регистрировали излучение, испущенное в процессе релаксации атома, и затем повторяли измерения для других изотопов.
Схематичное изображение обмена виртуальным бозоном между нейтроном и электроном в ионе иттербия. Ian Counts et al. / Physical Review Letters
Особенность метода заключается в том, что если изобразить полученные измерения на так называемом графике Кинга (по осям — частоты двух различных переходов, каждая точка — пара измерений одного перехода для одного изотопа, и другого для изотопа с ближайшим массовым числом), то, согласно теории, все четыре точки должны оказаться на одной прямой. Однако точность измерения частоты в всего 300 герц позволила физикам увидеть, что на самом деле ни одна из точек в пределах погрешности не ложится на прямую, соответствующую средним наблюдениям. Это и может говорить о том, что в процессе релаксации электроны и нейтроны атомов могли обмениваться виртуальным бозоном темной материи, тем самым перераспределяя энергию в системе и меняя частоту излучаемого фотона. Относительное отклонение точек от единой прямой составило порядка 10-7, что соответствует статистической точности в 3σ.
График Кинга для изотопов иттербия. Красная линия – линейная аппроксимация, точки – экспериментальные измерения с погрешностью. Ian Counts et al. / Physical Review Letters
Однако интересно и то, что в том же номере Physical Review Letters вышла статья, в которой Сирил Соларо (Cyrille Solaro) из Орхусского университета вместе с коллегами не обнаружил отклонений от линейности на графике Кинга для пяти изотопов кальция. В этой работе физики также наблюдали за квадрупольными переходами, однако точность регистрации частоты излучаемых атомом фотонов составила 2000 герц, а относительная точность измеряемых величин — порядка 10-6. Именно точность эксперимента могла стать причиной, почему для кальция не были обнаружены отклонения, найденные для иттербия.
График Кинга для изотопов кальция. Синяя линия – линейная аппроксимация, красные точки – экспериментальные измерения с погрешностью. Cyrille Solaro et al. / Physical Review Letters
Несмотря на независимость двух исследований, авторы второй работы самостоятельно отмечают, что точность их измерений может быть улучшена. В обеих статьях обсуждается и то, что качество измерений можно повысить, если проводить измерения одновременно для двух изотопов, соответствующих одной точке на графике Кинга, а также то, что аналогичные исследования важно провести и для других подходящих химических элементов (спин их ядер должен быть равен нулю).
Схема экспериментальной установки для изучения изотопов кальция. Cyrille Solaro et al. / Physical Review Letters
Кроме темных бозонов физики ищут и темные фотоны: ранее мы рассказывали о том, как американский физик-теоретик предложил искать их в переходах ядер бериллия. А новые поиски возможных механизмов поглощения частиц темной материи предложили вести на старых детекторах.
Автор: Никита Козырев
Источник: https://nplus1.ru/
