Физическое происхождение темной материи во Вселенной является одним из ключевых нерешенных вопросов для физики и астрономии. Существуют серьезные косвенные доказательства существования такого вещества по измерениям первичного космического излучения, аномалиям в радиальной зависимости галактических кривых вращения и гравитационного линзирования. Несмотря на свою, по-видимому, ключевую роль во Вселенной, физическое происхождение темной материи остается неизвестным, при этом значительные исследования сосредоточены на нестандартных (пока еще не обнаруженных) частицах.
Движущей силой расширения Вселенной является темная материя. Так считает большинство ученых.Именно из темной материи состоит 68% всего существующего. Еще 5% - это видимый мир, включающий звезды, планеты и галактики. Ученые знают о существовании темной материи благодаря гравитационной силе, которой она влияет на видимый мир. Считается, что без темной материи галактики просто распались бы.
Новый кандидат
Темная материя не поглощает и не выделяет свет, поэтому она невидима. Ученые только предполагают, что она такое на самом деле. Несколько элементарных частиц сейчас стали кандидатами на роль той самой темной материи. Поэтому ученые сейчас проводят эксперименты с использованием коллайдеров, чтобы сократить ряд претендентов.
В новом исследовании ученые Михаил Башканов и Дэниэл Уоттс из Университета Йорка в Великобритании выдвинули нового кандидата, который может быть темной материей.
«Материя вокруг нас состоит из молекул, молекулы состоят из атомов, атомы – из атомных ядер, вокруг которых кружатся электроны. Атомные ядра делятся на протоны и нейтроны. Те, в свою очередь, состоят из кварков. Таким образом, кварки – это строительные блоки материи», - пояснил Башканов.
Обычно, протоны и нейтроны состоят из трех кварков. Но на протяжении последних лет ученые обнаружили экзотические элементарные частицы из четырех и пяти кварков. Их называют тетракварками и пентакварками. Гексакварк, который состоит из шести элементарных блоков, также был недавно открыт. По словам Башканова, он состоит только из легких кварков.
«Факт в том, что можно образовать D*, если столкнуть протоны и нейтроны. Мы убеждены, что эта частица очень компактная, несмотря на то, что содержит шесть кварков в себе. Она, скорее всего, имеет размер протона, который состоит всего из трех кварков», - пояснил ученый.
По его мнению, есть ряд причин, почему D* может быть темной материей. Во-первых, эта частица действительно существует. Во-вторых, в ранней Вселенной было много кварков с высокой плотностью, что похоже на условия лабораторных экспериментов. Наконец, ученые знают, что частицы с бозонами могут формировать Бозе-Эйнштейновские конденсаты, которых тоже считают претендентами на роль темной материи.
Исследователи полагают, что недавно идентифицированная субатомная частица сформировала тёмную материю Вселенной сразу после Большого взрыва, примерно 13,8 миллиардов лет назад. Хотя ученые определили, что до 27% материи во Вселенной может быть тёмной материей, наше понимание того, чем может быть эта таинственная субстанция, всё ещё отсутствует, поскольку никто никогда не наблюдал её непосредственно.
Теперь, в новом исследовании, физики-ядерщики предположили, что тёмная материя может быть сделана из недавно идентифицированной частицы: гексакварка d-звезды. Материя может быть разбита на молекулы, которые могут быть разбиты дальше на атомы и даже дальше на субатомные частицы протоны и нейтроны. Затем, когда вы ломаете и их, вы получаете кварки. Итак, всё, что мы когда-либо видели, трогали или пробовали на вкус, в конечном итоге состояло из кварков.
В то время, как каждый нейтрон и протон состоят из трёх кварков, гексакварки состоят из шести. Их существование было предсказано десятилетия назад и в 2014 году исследователи смогли подтвердить существование гексакварков
Гексакварк
Хотя эти экзотические частицы состоят из большего количества кварков, чем протоны, гексакварки на самом деле намного меньше, чем более знакомые частицы. Гексакварки также распадаются намного быстрее, чем другие субатомные частицы. Они также являются типом бозонной частицы, что означает, что множественные гексаварки d-звезды могут объединяться способами, отличными от того, как объединяются протоны и нейтроны. Так как же эти маленькие крошечные частицы могут стать ключом к пониманию тёмной материи?
Учёные предполагают, что гексакварки могли конденсироваться в тёмную материю в странных условиях непосредственно после Большого взрыва. Сразу после этого события, Вселенная была охлаждающемся морем субатомных частиц, в течение этого очень раннего периода существования Вселенной гексакварки d-звезды могли охлаждаться и расширяться в так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна (BEC).
BEC - это экзотическое, пятое состояние вещества, которое образуется, когда облако атомов или субатомных частиц охлаждается до температур, приближающихся к абсолютному нулю или 0 Кельвин (-273,15 градуса по Цельсию). При этих экстремальных температурах частицы (или атомы) объединяются в одну единицу, которая может быть описана волновой функцией. Другими словами, частицы объединяются и ведут себя как одна частица (или атом)! В то время как в лаборатории гексакварки быстро разлагаются, они гораздо более стабильны и долговечны в нейтронной звезде и как полагают исследователи возможно, также в ВЕС. Учёные считают, что вскоре после того, как Вселенная началась с Большого взрыва, гексакварки могли сгущаться в конденсат Бозе-Эйнштейна - и этот уникальный ВЕС мог быть тёмной материей.
Первые расчёты показывают, что конденсаты d-звезд являются новым возможным кандидатом тёмнуой материи и эта новая возможность, по-видимому, заслуживает дальнейшего, более подробного исследования. Результат особенно впечатляющий, поскольку он не требует каких-либо новых для физики понятий.
Эта научная работа не решила вопрос тёмной материи навсегда, но исследователи планируют продолжить изучение гексакварков, чтобы лучше понять странные частицы и дополнительно исследовать, действительно ли они могут быть хорошими кандидатами составляющие тёмную материю. Учёные в будущем будут проводить эксперименты по изучению свойств гексакварков, таких как их размер и то, как они взаимодействуют с другими гексакварками, так и с нормальным или ядерным веществом (протонами и нейтронами внутри ядра).
Я думаю, что мы когда нибудь поймём, что такое тёмная материя, одна из самых загадочных субстанций Вселенной.
