Onderzoekers uit Rusland, Finland, en de VS hebben het theoretische model van donkere materiedeeltjes aan banden gelegd door gegevens van astronomische waarnemingen van actieve galactische kernen te analyseren. De nieuwe bevindingen vormen een extra stimulans voor onderzoeksgroepen over de hele wereld die proberen het mysterie van donkere materie te ontrafelen:niemand weet precies waar het van gemaakt is. De krant is gepubliceerd in de Tijdschrift voor Kosmologie en Astrodeeltjesfysica .

De vraag uit welke deeltjes donkere materie bestaat, is een cruciale vraag voor de moderne deeltjesfysica. Ondanks de verwachting dat donkere materiedeeltjes zouden worden ontdekt bij de Large Hadron Collider, dit is niet gebeurd. Een aantal toen gangbare hypothesen over de aard van donkere materie moesten worden verworpen. Diverse waarnemingen geven aan dat donkere materie bestaat, maar blijkbaar vormt het iets anders dan de deeltjes in het standaardmodel. Natuurkundigen moeten dus andere opties overwegen die complexer zijn. Het Standaardmodel moet worden uitgebreid. Onder de kandidaten voor opname bevinden zich hypothetische deeltjes die massa's kunnen hebben in het bereik van 10?²? tot 10?¹? maal de massa van het elektron. Dat is, het zwaarste gespeculeerde deeltje heeft een massa die 40 ordes van grootte groter is dan die van het lichtste.

Een theoretisch model behandelt donkere materie als bestaande uit ultralichte deeltjes. Dit biedt een verklaring voor tal van astronomische waarnemingen. Echter, zulke deeltjes zouden zo licht zijn dat ze heel zwak zouden interageren met andere materie en licht, waardoor ze buitengewoon moeilijk te bestuderen zijn. Het is bijna onmogelijk om zo'n deeltje in een lab te spotten, dus wenden onderzoekers zich tot astronomische waarnemingen.

"We hebben het over donkere materiedeeltjes die 28 ordes van grootte lichter zijn dan het elektron. Dit idee is van cruciaal belang voor het model dat we besloten te testen. De zwaartekrachtinteractie is wat de aanwezigheid van donkere materie verraadt. Als we alle waargenomen massa van donkere materie in termen van ultralichte deeltjes, dat zou betekenen dat er een enorm aantal is. Maar met deeltjes zo licht als deze, de vraag rijst:hoe beschermen we ze tegen het verkrijgen van effectieve massa als gevolg van kwantumcorrecties? Berekeningen laten zien dat een mogelijk antwoord zou zijn dat deze deeltjes een zwakke wisselwerking hebben met fotonen, dat wil zeggen:met elektromagnetische straling. Dit biedt een veel gemakkelijkere manier om ze te bestuderen:door elektromagnetische straling in de ruimte te observeren, " zei Sergey Troitsky, een co-auteur van de paper en hoofdonderzoeker aan het Instituut voor Nucleair Onderzoek van de Russische Academie van Wetenschappen.

Als het aantal deeltjes erg hoog is, in plaats van individuele deeltjes, je kunt ze behandelen als een veld met een bepaalde dichtheid dat het universum doordringt. Dit veld oscilleert coherent over domeinen die in de orde van 100 parsecs groot zijn, of ongeveer 325 lichtjaar. Wat de oscillatieperiode bepaalt, is de massa van de deeltjes. Als het door de auteurs beschouwde model correct is, deze periode zou ongeveer een jaar moeten zijn. Wanneer gepolariseerde straling door zo'n veld gaat, het vlak van stralingspolarisatie oscilleert met dezelfde periode. Als dergelijke periodieke veranderingen zich inderdaad voordoen, astronomische waarnemingen kunnen ze onthullen. En de lengte van de periode - een aards jaar - is erg handig, omdat veel astronomische objecten gedurende meerdere jaren worden waargenomen, wat genoeg is om de veranderingen in polarisatie zich te manifesteren.

De auteurs van het artikel besloten om de gegevens van op aarde gebaseerde radiotelescopen te gebruiken, omdat ze tijdens een cyclus van waarnemingen vaak terugkeren naar dezelfde astronomische objecten. Dergelijke telescopen kunnen afgelegen actieve galactische kernen waarnemen - gebieden van oververhit plasma dicht bij de centra van sterrenstelsels. Deze gebieden zenden sterk gepolariseerde straling uit. Door ze te observeren, men kan de verandering in polarisatiehoek over meerdere jaren volgen.

"Eerst leek het erop dat de signalen van individuele astronomische objecten sinusoïdale oscillaties vertoonden. Maar het probleem was dat de sinusperiode bepaald moest worden door de massa van de donkere materiedeeltjes, wat betekent dat het voor elk object hetzelfde moet zijn. Er waren 30 objecten in onze steekproef. En het kan zijn dat sommigen van hen oscilleerden vanwege hun eigen interne fysica, maar in ieder geval, de periodes waren nooit hetzelfde, Troitsky gaat verder. "Dit betekent dat de interactie van onze ultralichte deeltjes met straling heel goed kan worden beperkt. We zeggen niet dat zulke deeltjes niet bestaan, maar we hebben aangetoond dat ze geen interactie hebben met fotonen, een beperking op de beschikbare modellen die de samenstelling van donkere materie beschrijven."

"Stel je eens voor hoe opwindend dat was! Je besteedt jaren aan het bestuderen van quasars, wanneer op een dag theoretische natuurkundigen opduiken, en de resultaten van onze polarisatiemetingen met hoge precisie en hoge hoekresolutie zijn plotseling nuttig om de aard van donkere materie te begrijpen, " voegt Yuri Kovalev enthousiast toe, een co-auteur van de studie en laboratoriumdirecteur van het Moscow Institute of Physics and Technology en het Lebedev Physical Institute van de Russische Academie van Wetenschappen.

In de toekomst, het team is van plan om te zoeken naar manifestaties van veronderstelde zwaardere donkere materiedeeltjes die door andere theoretische modellen worden voorgesteld. Dit vereist het werken in verschillende spectrale bereiken en het gebruik van andere observatietechnieken. Volgens Troitski, de beperkingen op alternatieve modellen zijn strenger.

"Direct, de hele wereld is bezig met het zoeken naar donkere materiedeeltjes. Dit is een van de grote mysteries van de deeltjesfysica. Vanaf vandaag, geen enkel model wordt geaccepteerd als favoriet, beter ontwikkeld, of aannemelijker met betrekking tot de beschikbare experimentele gegevens. We moeten ze allemaal testen. onhandig, donkere materie is "donker" in de zin dat het nauwelijks met iets interageert, vooral met licht. Blijkbaar, in sommige scenario's kan het een klein effect hebben op de passerende lichtgolven. Maar andere scenario's voorspellen helemaal geen interacties tussen onze wereld en donkere materie, anders dan die gemedieerd door de zwaartekracht. Hierdoor zouden de deeltjes erg moeilijk te vinden zijn, ’ besluit Troitski.