Modelul standard al cosmologiei ne spune că doar 4,9% din Univers este compus din materie obișnuită (adică cea pe care o putem vedea), în timp ce restul constă din 26,8% materie întunecată și 68,3% energie întunecată. După cum sugerează numele, nu le putem vedea, astfel încât existența lor a trebuit să fie dedusă pe baza modelelor teoretice, a observațiilor structurii pe scară largă a Universului și a efectelor gravitaționale aparente asupra materiei vizibile.
De când a fost propusă pentru prima dată, nu au existat deficiențe de sugestii cu privire la aspectul particulelor Dark Matter. Nu cu mult timp în urmă, mulți oameni de știință au propus că Materia Întunecată este formată din particule masive cu interacțiune slabă (WIMPs), care sunt de aproximativ 100 de ori masa unui proton, dar interacționează ca neutrinii. Cu toate acestea, toate încercările de a găsi WIMP-urile folosind experimente cu colizorii au rămas goale. Ca atare, oamenii de știință au explorat în ultima perioadă ideea că materia întunecată poate fi compusă din altceva în întregime.
Modelele cosmologice actuale tind să presupună că masa materiei întunecate este în jur de 100 Gev (electrovoltați Giga), ceea ce corespunde scării de masă a multor alte particule care interacționează prin forța nucleară slabă. Existența unei astfel de particule ar fi în concordanță cu extensiile supersimetrice ale modelului standard de fizică a particulelor. În continuare, se crede că astfel de particule ar fi fost produse în Universul fierbinte, dens, timpuriu, cu o densitate de masă a materiei care a rămas consistentă până în zilele noastre.
Cu toate acestea, eforturile experimentale în curs de depistare a WIMP-urilor nu au reușit să producă dovezi concrete ale acestor particule. Acestea au inclus căutarea produselor de anihilare WIMP (de exemplu, raze gamma, neutrino și raze cosmice) în galaxiile și grupurile din apropiere, precum și experimente de detectare directă folosind supercollideri, cum ar fi colibrul de Hadron de mari dimensiuni (LHC) din Elveția.
Din această cauză, multe echipe de cercetători au început să ia în considerare privirea dincolo de paradigma WIMPs pentru a găsi Dark Matter. O astfel de echipă este formată dintr-un grup de cosmologi din CERN și CP3-Origins din Danemarca, care au lansat recent un studiu care indică faptul că Materia Întunecată ar putea fi mult mai grea și mult mai puțin interacționând decât se credea anterior.
Așa cum a spus dr. McCullen Sandora, unul dintre membrii echipei de cercetare de la CP-3 Origins, prin intermediul Revista Spațială prin e-mail:
„Încă nu putem exclude scenariul WIMP, dar cu fiecare an care trece este din ce în ce mai suspect că nu am văzut nimic. În plus, fizica obișnuită la scară slabă suferă de problema ierarhiei. De aceea, toate particulele pe care le cunoaștem sunt atât de ușoare, mai ales în ceea ce privește scara naturală a gravitației, scara Planck, care este de aproximativ 1019 GeV. Așadar, dacă materia întunecată ar fi mai aproape de scara Planck, aceasta nu ar fi afectată de problema ierarhiei și acest lucru ar explica și de ce nu am văzut semnăturile asociate cu WIMP-urile. ”
Folosind un nou model pe care îl numesc Planckian Interacting Dark Matter (PIDM), echipa a explorat limita superioară a masei de materie întunecată. În timp ce WIMP-urile plasează masa de materie întunecată la limita superioară a scării electroweak, echipa de cercetare daneză a lui Marthias Garny, McCullen Sandora și Martin S. Sloth a propus o particulă cu o masă în apropierea altei scări naturale - Scala Planck.
Pe scara Planck, o singură unitate de masă este echivalentă cu 2.17645 × 10-8 kg - aproximativ un microgram, sau 1019 ori mai mare decât masa unui proton. La această masă, fiecare PIDM este în esență la fel de grea ca o particulă poate fi înainte de a deveni o gaură neagră în miniatură. De asemenea, echipa teoretizează că aceste particule PIDM interacționează cu materia obișnuită doar prin gravitație și că un număr mare de ele s-au format în Universul foarte timpuriu în perioada de „reîncălzire” - perioadă care a avut loc la sfârșitul Epochului Inflaționar, aproximativ 10.-36 t0 10-33 sau 10-32 secunde după Big Bang.
Aceasta este o epocă numită așa, deoarece, în timpul inflației, se crede că temperaturile cosmice au scăzut cu un factor de aproximativ 100.000. Când inflația s-a încheiat, temperaturile au revenit la temperatura preinflaționistă (se estimează 1027 K). În acest moment, energia potențială mare a câmpului de inflație s-a descompus în particule de model standard care au umplut Universul, care ar fi inclus Materia Întunecată.
Desigur, această nouă teorie vine cu cota sa de implicații pentru cosmologi. De exemplu, pentru ca acest model să funcționeze, temperatura epocii de reîncălzire ar fi trebuit să fie mai mare decât se presupune în prezent. Ba mai mult, o perioadă de reîncălzire mai caldă ar duce, de asemenea, la crearea de unde gravitaționale mai primordiale, care ar fi vizibile în fundalul cu microunde cosmice (CMB).
„A avea o temperatură atât de ridicată ne spune două lucruri interesante despre inflație”, spune Sandora. „Dacă materia întunecată se dovedește a fi un PIDM: prima este că inflația s-a produs la o energie foarte mare, ceea ce la rândul său înseamnă că a fost capabilă să producă nu doar fluctuații ale temperaturii universului timpuriu, ci și în spațiu în sine, sub formă de unde gravitaționale. În al doilea rând, ne spune că energia inflației a trebuit să se descompună în materie extrem de rapid, deoarece, dacă ar fi durat prea mult, universul s-ar fi răcit până la punctul în care nu ar fi fost capabil să producă niciun PIDM.
Existența acestor unde gravitaționale ar putea fi confirmată sau exclusă prin studii viitoare care implică Cosmic Microwave Background (CMB). Aceasta este o veste interesantă, deoarece descoperirea recentă a undelor gravitaționale este de așteptat să conducă la încercări reînnoite de detectare a undelor primordiale care datează chiar de la crearea Universului.
După cum a explicat Sandora, acest lucru prezintă un scenariu câștig-câștig pentru oamenii de știință, deoarece înseamnă că acest ultim candidat pentru Matter Dark se va putea dovedi sau respinge în viitorul apropiat.
„Scenariul [O] ur face o predicție concretă: vom vedea valuri gravitaționale în următoarea generație de experimente cosmice de fundal cu microunde. Prin urmare, este un scenariu fără pierderi: dacă le vedem, este grozav și dacă nu le vedem, vom ști că materia întunecată nu este un PIDM, ceea ce înseamnă că știm că trebuie să aibă interacțiuni suplimentare cu materie obișnuită. Și toate acestea se vor întâmpla în următorul deceniu sau cam așa ceva, ceea ce ne oferă multe de așteptat cu nerăbdare. ”
De când Jacobus Kapteyn a propus prima dată existența materiei întunecate în 1922, oamenii de știință au căutat câteva dovezi directe ale existenței sale. Și una câte una, particulele candidate - de la gravitinos și MACHOS la axiuni - au fost propuse, cântărite și găsite doritoare. Dacă nimic altceva, este bine să știm că existența acestei ultime particule de candidat poate fi dovedită sau exclusă în viitorul apropiat.
Și dacă s-a dovedit a fi corect, vom fi rezolvat unul dintre cele mai mari mistere cosmologice din toate timpurile! Un pas mai aproape de a înțelege cu adevărat Universul și modul în care interacționează forțele sale misterioase. Teoria tuturor, aici venim (sau nu)!
