Новости космоса: Расчет массы частицы темной материи - Аксиона - на основе квантовой хромодинамики.

Ноя 03, 2016 Леонид Гляделов

Ученые расширили успешную стандартную модель физики элементарных частиц, что позволило им, помимо всего прочего, предсказать массу так называемых Аксионов - гипотетических частиц темной материи.

В поисках загадочной темной материи, физики использовали сложные компьютерные расчеты.

"Темная материя является невидимой формой материи, которая до сих пор показала себя только через свои гравитационные эффекты. То, из чего она состоит, остается полной загадкой," объясняет соавтор д-р Андреас Рингуолд. "Доказательства существования этой формы материи идет, среди прочего, от наблюдения галактик, которые вращаются слишком быстро, чтобы быть скреплены только гравитацией видимой материи.

Высокоточные измерения с использованием европейского спутника "Планк", показали, что почти 85 процентов всей массы Вселенной состоит из темной материи. Все звезды, планеты, туманности и другие объекты в космосе, которые сделаны из обычного вещества, это не более чем 15% от массы вещества Вселенной."

"Прилагательное "темный" не просто означает, что она не излучает видимый свет," говорит Рингуолд. "Темная материя, похоже, не испускают любые другие длины волн либо - ее взаимодействие с фотонами должно быть крайне слабым."

Совершенно ясно, что частицы темной материи должны находиться за пределами стандартной модели физики элементарных частиц, и в то время как эта модель является чрезвычайно успешной, она в настоящее время только описывает обычных 15% всей материи во Вселенной.

Неизвестная форма материи может состоять либо из сравнительно небольшого количества, но очень тяжелых частиц, или из большого количества легких. Прямые поиски тяжелых кандидатов темной материи с использованием больших детекторов в подземных лабораториях и косвенный их поиск с помощью больших ускорителей заряженных частиц и космических приборов все еще продолжаются, но пока что ничего небыло обнаружено.

Ряд физических соображений делают чрезвычайно легкие частицы, получившие название Аксионы, очень перспективными кандидатами. Используя умные экспериментальные установки, возможно даже обнаружить прямые доказательства их существования.

"Вместе с тем, чтобы найти такого рода доказательств, было бы крайне полезно знать, какие массы мы ищем," подчеркивает Рингуолд. "В противном случае поиск может занять несколько десятилетий, так как нужно сканировать слишком большой диапазон."

Существование аксионов предсказывается в расширении к квантовой хромодинамике (КХД). Сильное взаимодействие является одним из четырех фундаментальных взаимодействий наряду с гравитацией, электромагнетизмом и слабым взаимодействием, которое отвечает за радиоактивность.

"Теоретические соображения указывают на то, что существуют так называемые топологические квантовые флуктуации в КХД, что должно привести к наблюдаемому нарушению симметрии обращения времени. Это означает, что определенные процессы должны отличаться в зависимости от того, рассматриваются ли они движущимися вперед во времени или наоборот. Тем не менее, ни один эксперимент до сих пор не смог продемонстрировать этот эффект."

Расширение КХД восстанавливает временную инвариантность, но в то же время оно предсказывает существование очень слабо взаимодействующей частицы, Аксиона, свойства которого, в частности, его масса, завистит от силы топологического квантового колебания.

Тем не менее, современные суперкомпьютеры, такие как JUQUEEN, могут быть использованы для расчета массы Аксиона в определенном температурном диапазоне.

Результаты показывают, среди прочего, что если Аксионы действительно являются частицами темной материи, они должны иметь массу от 50 до 1500 мкэВ(микроэлектрон-вольт) и, таким образом, до десяти миллиардов раз легче, чем электроны. Этот вывод требует, чтобы каждый кубический сантиметр Вселенной содержал в среднем десять миллионов таких ультра-легких частиц. Темная материя не распространяется равномерно во вселенной, образуя сгустки. Из-за этого, наша локальная область Млечного Пути должна содержать около одного триллиона аксионов на см ³ .

Благодаря суперкомпьютеру, расчеты в настоящее время обеспечивают физиков конкретным диапазоном, в котором поиск аксионов, вероятно, будет наиболее перспективным.

Открытие Аксионов не только решит проблему темной материи во Вселенной, но в то же время ответит на вопрос, почему сильное взаимодействие настолько удивительно симметрично относительно обращения времени. Ученые ожидают, что возможно будет в течение ближайших нескольких лет, либо подтвердить, либо исключить существование Аксионов экспериментально.