Zoals de naam al doet vermoeden, donkere materie - materiaal dat ongeveer 85% van de massa in het universum uitmaakt - straalt geen licht uit, gemakkelijke detectie ontwijken. zijn eigenschappen, te, vrij duister blijven.

Nutsvoorzieningen, een theoretische deeltjesfysicus aan de Universiteit van Californië, rivieroever, en collega's hebben een onderzoekspaper gepubliceerd in de Journal of High Energy Physics dat laat zien hoe theorieën die het bestaan ​​van een nieuw type kracht poneren, de eigenschappen van donkere materie kunnen helpen verklaren.

"We leven in een oceaan van donkere materie, toch weten we heel weinig over wat het zou kunnen zijn, " zei Flip Tanedo, een assistent-professor natuurkunde en astronomie en senior auteur van de paper. "Het is een van de meest irritante bekende onbekenden in de natuur. We weten dat het bestaat, maar we weten niet hoe we het moeten zoeken of waarom het niet is verschenen waar we het verwachtten."

Natuurkundigen hebben telescopen gebruikt, gigantische ondergrondse experimenten, en botsers om meer te leren over donkere materie in de afgelopen 30 jaar, hoewel er geen positief bewijs is gematerialiseerd. Het negatieve bewijs, echter, heeft theoretische natuurkundigen zoals Tanedo gedwongen creatiever na te denken over wat donkere materie zou kunnen zijn.

Het nieuwe onderzoek, die het bestaan ​​van een extra dimensie in ruimte-tijd voorstelt om naar donkere materie te zoeken, maakt deel uit van een lopend onderzoeksprogramma aan UC Riverside onder leiding van Tanedo. Volgens deze theorie is sommige donkere materiedeeltjes gedragen zich niet als deeltjes. In werkelijkheid, onzichtbare deeltjes interageren met nog meer onzichtbare deeltjes op zo'n manier dat deze zich niet meer als deeltjes gedragen.

"Het doel van mijn onderzoeksprogramma van de afgelopen twee jaar is om het idee van donkere materie die 'prat' uit te breiden tot duistere krachten, " zei Tanedo. "In het afgelopen decennium, natuurkundigen zijn gaan beseffen dat naast donkere materie, verborgen duistere krachten kunnen de interacties van donkere materie beheersen. Deze zouden de regels voor het zoeken naar donkere materie volledig kunnen herschrijven."

Als twee deeltjes donkere materie door elkaar worden aangetrokken of afgestoten, dan zijn er duistere krachten aan het werk. Tanedo legde uit dat duistere krachten wiskundig worden beschreven door een theorie met extra dimensies en verschijnen als een continuüm van deeltjes die puzzels in kleine sterrenstelsels kunnen oplossen.

"Ons lopende onderzoeksprogramma bij UCR is een verdere veralgemening van het duistere krachtvoorstel, " zei hij. "Ons waargenomen universum heeft drie dimensies van ruimte. We stellen voor dat er misschien een vierde dimensie is waar alleen de duistere krachten van weten. De extra dimensie kan verklaren waarom donkere materie zo goed verborgen is gebleven voor onze pogingen om het in een laboratorium te bestuderen."

Tanedo legde uit dat, hoewel extra dimensies misschien een exotisch idee lijken, ze zijn eigenlijk een wiskundige truc om 'conforme veldtheorieën' te beschrijven - gewone driedimensionale theorieën die zeer kwantummechanisch zijn. Dit soort theorieën zijn wiskundig rijk, maar bevatten geen conventionele deeltjes en worden daarom doorgaans niet als relevant beschouwd voor het beschrijven van de natuur. De wiskundige equivalentie tussen deze uitdagende driedimensionale theorieën en een beter hanteerbare extradimensionale theorie staat bekend als het holografische principe.

"Aangezien deze conforme veldtheorieën zowel hardnekkig als ongebruikelijk waren, ze waren niet echt systematisch toegepast op donkere materie, " voegde Tanedo eraan toe. "In plaats van die taal te gebruiken, we werken met de holografische extra-dimensionale theorie."

Het belangrijkste kenmerk van de extra-dimensionale theorie is dat de kracht tussen donkere materiedeeltjes wordt beschreven door een oneindig aantal verschillende deeltjes met verschillende massa's, een continuüm genoemd. In tegenstelling tot, gewone krachten worden beschreven door een enkel type deeltje met een vaste massa. Deze klasse van continuüm-donkere sectoren is opwindend voor Tanedo omdat het iets 'vers en anders' doet.

Volgens Tanedo, eerder werk aan donkere sectoren richt zich voornamelijk op theorieën die het gedrag van zichtbare deeltjes nabootsen. Zijn onderzoeksprogramma onderzoekt de meer extreme soorten theorieën die de meeste deeltjesfysici minder interessant vonden, misschien omdat er in de echte wereld geen analogen bestaan.

In de theorie van Tanedo, de kracht tussen donkere materiedeeltjes is verrassend anders dan de krachten die door gewone materie worden gevoeld.

"Voor de zwaartekracht of elektrische kracht die ik leer in mijn inleidende cursus natuurkunde, als je de afstand tussen twee deeltjes verdubbelt, verklein je de kracht met een factor vier. Een continuümkracht, anderzijds, wordt verminderd met een factor tot acht."

Welke implicaties heeft deze extra dimensionale duistere kracht? Aangezien gewone materie mogelijk geen interactie heeft met deze duistere kracht, Tanedo wendde zich tot het idee van zelf-interagerende donkere materie, een idee ontwikkeld door Hai-Bo Yu, een universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan de UCR die geen co-auteur is van het papier. Yu toonde aan dat zelfs in de afwezigheid van interacties met normale materie, de effecten van deze duistere krachten konden indirect worden waargenomen in bolvormige dwergstelsels. Tanedo's team ontdekte dat de continuümkracht de waargenomen stellaire bewegingen kan reproduceren.

"Ons model gaat verder en maakt het gemakkelijker dan het zelf-interactiemodel van donkere materie om de kosmische oorsprong van donkere materie te verklaren, ' zei Tanedo.

Volgende, Tanedo's team zal een continuümversie van het 'donkere foton'-model onderzoeken.

"Het is een realistischer beeld voor een duistere kracht, Tanedo zei. "Donkere fotonen zijn tot in detail bestudeerd, maar ons extra-dimensionale raamwerk heeft een paar verrassingen. We zullen ook kijken naar de kosmologie van duistere krachten en de fysica van zwarte gaten."

Tanedo heeft ijverig gewerkt aan het identificeren van "blinde vlekken" in de zoektocht van zijn team naar donkere materie.

"Mijn onderzoeksprogramma richt zich op een van de veronderstellingen die we maken over deeltjesfysica:dat de interactie van deeltjes goed wordt beschreven door de uitwisseling van meer deeltjes, "zei hij. "Hoewel dat geldt voor gewone materie, er is geen reden om dat aan te nemen voor donkere materie. Hun interacties kunnen worden beschreven door een continuüm van uitgewisselde deeltjes in plaats van alleen maar een enkel type krachtdeeltje uit te wisselen."