Nauja teorija rodo, kad tamsioji medžiaga gali būti ekstradimensinė kosminė pabėgėlė

Tamsiąją medžiagą, neaiškią medžiagą, sudarančią didžiąją dalį Visatos masės, gali sudaryti masyvios dalelės, vadinamos gravitonais, kurios pirmą kartą atsirado pirmą akimirką po Didžiojo sprogimo.

Ir šios hipotetinės dalelės gali būti kosminiai pabėgėliai iš papildomų matmenų, teigiama naujoje teorijoje. 

Tyrėjų skaičiavimuose užsimenama, kad šių dalelių galėjo būti sukurta kaip tik tiek, kiek reikia, kad būtų galima paaiškinti tamsiąją medžiagą, kurią galima "pamatyti" tik per jos gravitacinę trauką įprastai materijai.

"Masyvūs gravitonai susidaro ankstyvojoje Visatoje susidūrus paprastosioms dalelėms.

Buvo manoma, kad šis procesas yra pernelyg retas, kad masyvūs gravitonai galėtų būti kandidatai į tamsiąją medžiagą", - "Live Science" sakė tyrimo bendraautorius Giacomo Cacciapaglia, Liono universiteto (Prancūzija) fizikas.

Tačiau vasario mėnesį žurnale "Physical Review Letters" paskelbtame naujame tyrime G. Cacciapaglia kartu su Korėjos universiteto fizikais Haiying Cai ir Seung J. Lee nustatė, kad ankstyvojoje Visatoje galėjo susidaryti pakankamai tokių gravitonų, kad būtų galima paaiškinti visą šiuo metu Visatoje aptinkamą tamsiąją medžiagą.

Tyrime nustatyta, kad gravitonų, jei jie egzistuoja, masė būtų mažesnė nei 1 megaelektronvoltas (MeV), t. y. ne daugiau kaip du kartus didesnė už elektrono masę.

Šis masės lygis yra gerokai mažesnis už tą, kuriuo Higso bozonas sukuria įprastinės materijos masę, o tai yra labai svarbu, kad pagal modelį jų susidarytų pakankamai, kad būtų galima paaiškinti visą Visatoje esančią tamsiąją medžiagą. (Palyginimui, lengviausia žinoma dalelė - neutrinas - sveria mažiau nei 2 elektronvoltus, o protonas - maždaug 940 MeV, kaip nurodo Nacionalinis standartų ir technologijų institutas).

Komanda šiuos hipotetinius gravitonus aptiko ieškodama papildomų matmenų, kurie, kaip įtaria kai kurie fizikai, egzistuoja greta stebimų trijų erdvės matmenų ir ketvirtojo matmens - laiko, įrodymų.

Pagal komandos teoriją, kai gravitacija sklinda per papildomus matmenis, ji materializuojasi mūsų Visatoje kaip masyvūs gravitonai. 

Tačiau šios dalelės tik silpnai sąveikautų su įprasta materija ir tik per gravitacijos jėgą.

Šis apibūdinimas labai panašus į tai, ką žinome apie tamsiąją medžiagą, kuri nesąveikauja su šviesa, tačiau daro gravitacinį poveikį visur Visatoje. Šis gravitacinis poveikis, pavyzdžiui, neleidžia galaktikoms išsisklaidyti.

"Pagrindinis masyvių gravitonų, kaip tamsiosios medžiagos dalelių, privalumas yra tas, kad jie sąveikauja tik gravitaciniu būdu, todėl gali išvengti bandymų aptikti jų buvimą", - sakė Cacciapaglia.

Priešingai, kiti siūlomi kandidatai į tamsiąją medžiagą, pavyzdžiui, silpnai sąveikaujančios masyvios dalelės, aksionai ir neutrinai, taip pat gali būti juntami dėl labai subtilios sąveikos su kitomis jėgomis ir laukais.

Tai, kad masyvūs gravitonai beveik nesąveikauja per gravitaciją su kitomis Visatoje esančiomis dalelėmis ir jėgomis, suteikia dar vieną privalumą.

"Dėl labai silpnos sąveikos jie suyra taip lėtai, kad išlieka stabilūs per visą Visatos gyvavimo laiką, - sakė Cacciapaglia, - Dėl tos pačios priežasties jie lėtai susidaro Visatos plėtimosi metu ir ten kaupiasi iki šiol."

Anksčiau fizikai manė, kad gravitonai yra mažai tikėtini kandidatai į tamsiąją medžiagą, nes juos sukuriantys procesai yra itin reti. Dėl to gravitonai būtų kuriami daug lėčiau nei kitos dalelės.

Tačiau komanda nustatė, kad per pikosekundę (trilijoninę sekundės dalį) po Didžiojo sprogimo šių gravitonų turėjo būti sukurta daugiau, nei teigė ankstesnės teorijos.

Tyrimo metu nustatyta, kad šio padidėjimo pakako, kad masyvūs gravitonai visiškai paaiškintų Visatoje aptinkamos tamsiosios medžiagos kiekį. 

"Šis padidėjimas iš tiesų buvo šokas, - sakė Cacciapaglia. "Turėjome atlikti daugybę patikrinimų, kad įsitikintume, jog rezultatas teisingas, nes dėl to keičiasi paradigma, pagal kurią masyviuosius gravitonus laikome potencialiais kandidatais į tamsiąją medžiagą."

Kadangi masyvūs gravitonai susidaro žemiau Higgso bozono energijos skalės, jie yra laisvi nuo neapibrėžtumų, susijusių su aukštesnės energijos skalėmis, kurias dabartinė dalelių fizika nelabai gerai aprašo.

Komandos teorija susieja dalelių greitintuvuose, pavyzdžiui, Didžiajame hadronų greitintuve, tiriamą fiziką su gravitacijos fizika.

Tai reiškia, kad galingi dalelių greitintuvai, tokie kaip būsimasis žiedinis greitintuvas CERN, kuris turėtų pradėti veikti 2035 m., galėtų medžioti šių potencialių tamsiosios materijos dalelių įrodymus.

"Tikriausiai geriausią šansą turime būsimuose didelio tikslumo dalelių greitintuvuose", - sakė Cacciapaglia. "Šiuo metu mes tai tiriame."