Физики из Даремского университета и Королевского колледжа Лондона разработали новый план для обнаружения темной материи. Также они призвали мировое сообщество обратить внимание на исследование гипотетической частицы — аксиона.
Проблема Стандартной модели и ее решение
Стандартная модель физики элементарных частиц позволяет объяснить всю видимую материю во Вселенной — от звезд до атомов. Согласно ней существуют фундаментальные составляющие материи — кварки и лептоны, а также электромагнитные, слабые и сильные ядерные взаимодействия между ними.
По сути, Стандартная модель — это математически непротиворечивая квантовая теория поля, которая позволяет ученым делать довольно точные предсказания. Многие из них уже подтвердили экспериментально с точностью ниже уровня промилле на Большом адронном коллайдере (БАК) и других ускорителях частиц.
Венцом успеха Стандартной модели стало открытие в 2012 году бозона Хиггса — ранее неизвестной частицы, чье существование предсказали еще в 1964 году для решения теоретических задач, связанных с массами векторных бозонов. Точные экспериментальные измерения, проведенные за десятилетия до 2010 года, подтвердили другие предсказания Стандартной модели, включая существование топ-кварка и его массу.
Несмотря на эти многочисленные успехи, не всех физиков элементарных частиц устраивает эта теория строения Вселенной. У Стандартной модели есть много теоретических недостатков и она оставляет без ответа важные экспериментальные вопросы. Здесь как раз и поможет аксион — гипотетическая частица за пределами Стандартной модели, которая решает некоторые из острых проблем физики. Один из этих вопросов заключается в том, как материя и антиматерия различаются (и не различаются) на уровне элементарных частиц.
Обнаружение темной материи
Известно, что темная материя составляет 85% материи во Вселенной, но ее точный состав остается загадкой для научного сообщества. О ее существовании известно благодаря наблюдаемому гравитационному воздействию на звезды и галактики, но физики не знают, какая частица отвечает за эту таинственную силу.
Один из претендентов — аксион, гипотетическая элементарная частица, впервые постулированная в 1977 году как часть теории Печчеи-Куинна, которая обеспечила возможное решение сильной CP-проблемы. В этой теории аксион объясняет, почему сильное взаимодействие — сила, связывающая кварки в протонах и нейтронах — подчиняется симметрии обращения времени.
Кроме всего прочего, аксион очень слабо взаимодействует с другими частицами Стандартной модели. Это делает его хорошим кандидатом на роль темной материи.
Это очень захватывающее время для аксионной физики. Никто еще не знает, что такое темная материя. Мы надеемся однажды разгадать эту тайну, изучая аксион.
Франческа Чадха-Дэй, соавтор исследования в пресс-релизе к новому обзору
Пока экспериментальных подтверждений существования этой частицы нет, хотя ее поиски активно ведутся. Теперь ученые предложили новый метод поиска.
Как искать аксионы?
Исследователи нового теоретического обзора проанализировали аксионы с математической точки зрения, а также установили, как эти гипотетические частицы связаны с фундаментальными симметриями Стандартной модели физики элементарных частиц. Вот, что они предложили.
Известно, что темная материя любого вида в состоянии лишь крайне слабо взаимодействовать со светом. В противном случае, физики бы давно это заметили.
В ходе исследования ученые обратили внимание на одну из особенностей аксионной темной материи. Теоретически она очень слабо взаимодействует со светом (как и вся темная материя). Но у фотона, который путешествует через магнитное поле, есть шанс превратиться в аксион. Этот процесс мог бы вызвать необычные особенности, которые можно заметить. Как отмечают ученые, используя современные телескопы, астрономов могут обнаружить признаки этого взаимодействия. Особое внимание надо обратить на магнитные поля галактик.
Также ученые разработали несколько сложных физических экспериментов в лаборатории, чтобы в будущем аксион можно будет обнаружить в лаборатории. Исследователи надеются, что их работа, в конечном итоге, поможет обнаружить темную материю.
Читать далее
Самое большое генеалогическое древо человечества показало историю нашего вида
Физики воссоздали способности Т-1000 из «Терминатора-2» в лаборатории
Ученые, возможно, нашли недостающее звено между одноклеточными и клетками человека
В физике элементарных частиц сильная CP-проблема (CP-инвариантность) — это загадочный вопрос, почему в квантовой хромодинамике (КХД) не нарушается CP-симметрия (произведение двух симметрий, где C — зарядовое сопряжение, которое превращает частицу в ее античастицу, и P — четность, которая создает зеркальное изображение физической системы).